Biyomoleküler yoğunlaşmalar katalizör olarak şaşırtıcı aktiviteyi ortaya koyuyor

Biyomoleküler yoğunlaşmalar bakteriler, virüsler, bitkiler ve memeli sistemleri de dahil olmak üzere canlı hücrelerde her yerde bulunur. Bu zarsız bedenler veya DNA, RNA ve proteinlerden oluşan moleküler topluluklar, hücre içindeki irili ufaklı moleküllerin çeşitli biyokimyasal reaksiyonları koordine etmek için bir araya geldiği yerdir.

Moleküllerin hücresel ortamdan yağ ve suyun ayrılmasına benzer şekillerde ayrıldığı faz ayrımı, bileşimsel olarak farklı biyomoleküler yoğunlaşmaların oluşumunun arkasındaki itici güçtür. Çoğu araştırmacı, canlı hücrelerde genetik bilgiyi depolayan, ileten ve ifade eden proteinler ve nükleik asit bileşenleri ile bunların yoğunlaşma oluşumuna katkıları üzerine odaklanmıştır.

St. Louis’deki Washington Üniversitesi McKelvey Mühendislik Okulu Biyomedikal Mühendisliği Bölümü ve Biyomoleküler Yoğuşma Merkezi’nde yardımcı doçent Yifan Dai ve Gene K. Beare Seçkin Profesörü Rohit V. Pappu tarafından yürütülen yeni çalışma, yoğuşmaların kendileri katalizör görevi görecek bileşenlere sahip olmamasına rağmen “kondenzimleri” veya yoğunlaşmaların doğal katalitik aktivitelerini keşfetmelerine yol açtı. Moleküllerin faz ayrımı yoluyla bir araya getirilmesi, katalizör olarak işlev görme özelliğinin ortaya çıkmasına neden olur.

Araştırma şu adreste yayınlandı: Moleküler Hücre.

İlk yazarlar Dai’nin laboratuvarında doktora öğrencisi olan Michael W. Chen; Dai’nin laboratuvarında eski bir araştırma teknisyeni olan Xiao Guo; Pappu’nun laboratuvarında biyomedikal mühendisliği alanında doktora derecesi ve 2025 yılında WashU’dan tıp diploması alan Mina Farag, MD, Ph.D.; ve Columbia Üniversitesi’nde kimya profesörü ve ortak yazar Wei Min’in laboratuvarında doktora öğrencisi olan Naixin Qian.

Yüzeydeki elektrik alanları

Dai ve Pappu laboratuvarlarındaki araştırmacılar, doğası gereği düzensiz proteinler tarafından oluşturulan yoğunlaşmaların, esterleri asit ve alkole ayıran esteroliz ve suyun kimyasal bağları kırmak için kullanıldığı hidroliz gibi reaksiyonları katalize eden yoğunlaşma yüzeylerinde elektrik alanları oluşturabildiğini gösterdi.

Columbia, Stanford ve Harvard üniversitelerindeki meslektaşlarıyla birlikte çalışan araştırmacılar, yüzey elektrik alanı ile yoğuşma arayüzeylerindeki su molekülü özelliklerinde meydana gelen temel değişiklikleri birleştirmenin, yoğuşma maddelerinin katalizör olarak işlev görme yeteneğine katkıda bulunduğunu gösterdi.

Buna ek olarak, “kondenzimler” gibi işlev gören kondensatların, nükleik asitlerin parçalanmasını sağlayan çeşitli bileşiklerin hidrolizini ve hücreler arasında enerji taşıyan adenozin trifosfatın (ATP) hidrolizini katalize edebildiğini gösterdiler.

Dai, “Bu kondenzimler çeşitli moleküllerin hidrolizini katalize eder” dedi. “Yoğuşmaların bu eşsiz yeteneği, bakteri hücrelerinde gösterildi ve bu, biyokimyasal ortamın canlı hücrelerde nasıl kurulduğuna dair düşüncelerimizi değiştiriyor.”

Yıllardır süren bir işbirliği

Dai ve Pappu, işbirliklerinin Dai’nin laboratuvarındaki elektrokimyasal uzmanlığı Pappu’nun laboratuvarındaki hesaplamalı modelleme ve biyokimyasal uzmanlıkla harmanladığını ve her iki laboratuvarda daha önce yapılan araştırmalara dayandığını söyledi.

Pappu, “Bu sonuçlardan potansiyel bir devrim çıkacağını görüyoruz çünkü artık hücrelerdeki biyokimyasal reaksiyonları düşünürken dikkate almamız gereken yeni bir katalizör arketipi var” dedi.

Dai ve Pappu son birkaç yıldır bu sonuçların temelini oluşturuyor. Dai’nin laboratuvarı en son biyomoleküler yoğunlaşmaların hücrelerin metabolik döngüsünde enzim rolü oynadığını keşfetti. 2023 tarihli bir makalede KimyaDai ve meslektaşları, biyomoleküler yoğunlaşmaların arayüzünün bir elektrik potansiyeline sahip olduğunu ve arayüzey elektrik alanının redoks reaksiyonlarını yönlendirebileceğini bildirdi.

Pappu’nun laboratuvarı, nükleoller gibi doğal olarak oluşan yoğunlaşmaların pH gradyanları ile tanımlandığını ve yoğunlaşmaların, membransız cisimler olmalarına rağmen, membran benzeri potansiyeller tarafından tanımlandığını gösterdi. Kondenzimlerin keşfi, yoğunlaşma fonksiyonlarının hızla gelişen anlayışında bir sonraki aşamayı temsil etmektedir.

Seyircinin görüşüne meydan okumak

Pappu, yoğunlaşmaların fonksiyonlarının tartışıldığını ve bazılarının yoğunlaşmaların hücrelerde seyirci olabileceğini öne sürmesine yol açtığını söyledi. Bu bulguların bu öneriye meydan okuduğunu söyledi.

Pappu, “Sonuç olarak, hücrelerin, kondenzimlerin doğal katalitik fonksiyonlarını güçlendirecek mekanizmalar geliştirmiş olmaları veya hücrelerin, kondenzim fonksiyonlarını körelten uyarlanmış mekanizmalara sahip olmaları gerektiğidir” dedi.

“Her iki durumda da, bulgular canlı hücrelerdeki yoğunlaşmalarla ilgili düşüncelerimizi değiştiriyor çünkü hücre fizyolojisi, kanser ve nörodejenerasyon gibi hastalıklar ve sentetik biyoloji alanı üzerindeki etkileri muhtemelen oldukça önemli olacaktır.”