فكر مرة أخرى في فصل علم الأحياء الأساسي الذي درسته في المدرسة الثانوية. ربما تكون قد تعلمت عن العضيات، تلك “الأعضاء” الصغيرة الموجودة داخل الخلايا والتي تشكل حجرات ذات وظائف فردية. على سبيل المثال، تنتج الميتوكوندريا الطاقة، وتقوم الليزوزومات بإعادة تدوير النفايات، وتقوم النواة بتخزين الحمض النووي. على الرغم من أن كل عضية لها وظيفة مختلفة، إلا أنها متشابهة من حيث أن كل واحدة منها مغلفة بغشاء.
كانت العضيات المرتبطة بالغشاء هي المعيار القياسي لكيفية تفكير العلماء في تنظيم الخلايا حتى أدركوا في منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين أن بعض العضيات لا تحتاج إلى أن تكون مغلفة بغشاء. ومنذ ذلك الحين، اكتشف الباحثون العديد من العضيات الإضافية غير الغشائية التي غيرت بشكل كبير طريقة تفكير علماء الأحياء في كيمياء الحياة وأصولها.
لقد تعرفت على العضيات غير الغشائية، والتي تسمى رسميًا بالمكثفات الجزيئية الحيوية، منذ عامين عندما لاحظ الطلاب في مختبري بعض النقط غير العادية في نواة الخلية. دون علمي، كنا في الواقع ندرس المكثفات الجزيئية الحيوية لسنوات. ما رأيته أخيرًا في تلك النقط فتح عيني على عالم جديد تمامًا من بيولوجيا الخلية.
مثل مصباح الحمم البركانية
للتعرف على الشكل الذي تبدو عليه المكثفات الجزيئية الحيوية، تخيل مصباح الحمم البركانية حيث تندمج نقاط الشمع بداخله معًا، وتتفكك وتندمج مرة أخرى. تتشكل المكثفات بنفس الطريقة تقريبًا، على الرغم من أنها ليست مصنوعة من الشمع. وبدلاً من ذلك، تتكثف مجموعة من البروتينات والمواد الوراثية، وتحديدًا جزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA)، في الخلية إلى قطيرات تشبه الهلام.
تقوم بعض البروتينات وRNAs بذلك لأنها تتفاعل بشكل تفضيلي مع بعضها البعض بدلاً من البيئة المحيطة بها، وهو ما يشبه إلى حد كبير كيفية امتزاج نقاط الشمع في مصباح الحمم البركانية مع بعضها البعض ولكن ليس مع السائل المحيط. تخلق هذه المكثفات بيئة دقيقة جديدة تجذب بروتينات إضافية وجزيئات الحمض النووي الريبي (RNA)، وبالتالي تشكل حجرة كيميائية حيوية فريدة داخل الخلايا.
اعتبارًا من عام 2022، اكتشف الباحثون حوالي 30 نوعًا من هذه المكثفات الجزيئية الحيوية غير الغشائية. وبالمقارنة، هناك حوالي اثنتي عشرة عضية تقليدية معروفة مرتبطة بالغشاء.
على الرغم من سهولة تحديده بمجرد معرفة ما تبحث عنه، إلا أنه من الصعب معرفة ما تفعله المكثفات الجزيئية الحيوية بالضبط. وبعضها له أدوار محددة جيدًا، مثل تكوين الخلايا الإنجابية، وحبيبات الإجهاد، والريبوسومات التي تصنع البروتين. ومع ذلك، العديد من الآخرين ليس لديهم وظائف واضحة.
يمكن أن يكون للعضيات غير المرتبطة بالغشاء وظائف أكثر عددًا وتنوعًا من نظيراتها المرتبطة بالغشاء. إن التعرف على هذه الوظائف غير المعروفة يؤثر على فهم العلماء الأساسي لكيفية عمل الخلايا.
هيكل البروتين ووظيفته
تعمل المكثفات الجزيئية الحيوية على كسر بعض المعتقدات القديمة حول كيمياء البروتين.
منذ أن ألقى العلماء نظرة فاحصة على بنية بروتين الميوجلوبين لأول مرة في الخمسينيات من القرن الماضي، كان من الواضح أن بنيته مهمة لقدرته على نقل الأكسجين إلى العضلات. ومنذ ذلك الحين، أصبح شعار علماء الكيمياء الحيوية هو أن بنية البروتين تساوي وظيفة البروتين. في الأساس، البروتينات لها أشكال معينة تسمح لها بأداء وظائفها.
البروتينات التي تشكل المكثفات الجزيئية الحيوية تكسر هذه القاعدة جزئيًا على الأقل لأنها تحتوي على مناطق مضطربة، مما يعني أنها ليس لها أشكال محددة. عندما اكتشف الباحثون ما يسمى بالبروتينات المضطربة جوهريًا، أو IDPs، في أوائل الثمانينيات، كانوا في حيرة من أمرهم في البداية من كيف يمكن لهذه البروتينات أن تفتقر إلى بنية قوية ولكنها لا تزال تؤدي وظائف محددة.
وفي وقت لاحق، وجدوا أن النازحين داخليا يميلون إلى تكوين المكثفات. وكما هو الحال في كثير من الأحيان في العلوم، فإن هذا الاكتشاف قد حل لغزًا واحدًا حول الأدوار التي تلعبها هذه البروتينات المارقة غير المنظمة في الخلية فقط ليفتح سؤالًا آخر أعمق حول ماهية المكثفات الجزيئية الحيوية حقًا.
الخلايا البكتيرية
اكتشف الباحثون أيضًا مكثفات جزيئية حيوية في الخلايا بدائية النواة، أو الخلايا البكتيرية، والتي تم تعريفها تقليديًا على أنها لا تحتوي على عضيات. يمكن أن يكون لهذا الاكتشاف تأثيرات عميقة على كيفية فهم العلماء لبيولوجيا الخلايا بدائية النواة.
فقط حوالي 6% من البروتينات البكتيرية لديها مناطق مضطربة تفتقر إلى البنية، مقارنة بـ 30% إلى 40% من البروتينات حقيقية النواة، أو غير البكتيرية. لكن العلماء وجدوا العديد من المكثفات الجزيئية الحيوية في الخلايا بدائية النواة التي تشارك في مجموعة متنوعة من الوظائف الخلوية، بما في ذلك صنع وتكسير الحمض النووي الريبوزي (RNAs).
إن وجود المكثفات الجزيئية الحيوية في الخلايا البكتيرية يعني أن هذه الميكروبات ليست عبارة عن أكياس بسيطة من البروتينات والأحماض النووية ولكنها في الواقع أكثر تعقيدًا مما تم التعرف عليه سابقًا.
أصول الحياة
تعمل المكثفات الجزيئية الحيوية أيضًا على تغيير طريقة تفكير العلماء في أصول الحياة على الأرض.
هناك أدلة كثيرة على أن النيوكليوتيدات، اللبنات الأساسية للحمض النووي الريبي (RNA) والحمض النووي (DNA)، يمكن أن تكون مصنوعة من مواد كيميائية شائعة، مثل سيانيد الهيدروجين والماء، في وجود مصادر طاقة مشتركة، مثل الضوء فوق البنفسجي أو درجات الحرارة المرتفعة، على معادن شائعة عالميًا. مثل السيليكا وطين الحديد.
هناك أيضًا أدلة على أن النيوكليوتيدات الفردية يمكن أن تتجمع تلقائيًا في سلاسل لتكوين الحمض النووي الريبي (RNA). هذه خطوة حاسمة في فرضية عالم الحمض النووي الريبي (RNA)، التي تفترض أن “أشكال الحياة” الأولى على الأرض كانت عبارة عن خيوط من الحمض النووي الريبوزي (RNA).
والسؤال الرئيسي هو كيف يمكن لجزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) أن تطور آليات لتكرار نفسها وتنظيمها في خلية أولية. ونظرًا لأن كل أشكال الحياة المعروفة محاطة بأغشية، فقد افترض الباحثون الذين يدرسون أصل الحياة أن الأغشية ستحتاج أيضًا إلى تغليف هذه الـ RNA. وهذا يتطلب تصنيع الدهون، أو الدهون، التي تشكل الأغشية. ومع ذلك، فإن المواد اللازمة لتكوين الدهون لم تكن موجودة على الأرض في وقت مبكر.
مع اكتشاف أن RNAs يمكنه تكوين مكثفات جزيئية حيوية تلقائيًا، لن تكون هناك حاجة للدهون لتشكيل الخلايا الأولية. إذا كانت RNAs قادرة على التجمع في مكثفات جزيئية حيوية من تلقاء نفسها، يصبح من المعقول أكثر أن الجزيئات الحية نشأت من مواد كيميائية غير حية على الأرض.
علاجات جديدة
بالنسبة لي وللعلماء الآخرين الذين يدرسون المكثفات الجزيئية الحيوية، من المثير أن نحلم كيف ستغير هذه الكيانات التي تخالف القواعد وجهة نظرنا حول كيفية عمل علم الأحياء. تعمل المكثفات بالفعل على تغيير طريقة تفكيرنا في الأمراض التي تصيب الإنسان مثل مرض الزهايمر ومرض هنتنغتون ومرض لو جيريج.
ولتحقيق هذه الغاية، يقوم الباحثون بتطوير عدة أساليب جديدة لمعالجة المكثفات للأغراض الطبية مثل الأدوية الجديدة التي يمكنها تعزيز المكثفات أو إذابتها. ويبقى أن يتم تحديد ما إذا كان هذا النهج الجديد لعلاج المرض سيؤتي ثماره.
على المدى الطويل، لن أتفاجأ إذا تم تعيين وظيفة معينة لكل مكثف جزيئي حيوي. إذا حدث هذا، يمكنك المراهنة على أن طلاب علم الأحياء في المدارس الثانوية سيكون لديهم المزيد ليتعلموه – أو يشتكوا منه – في فصول علم الأحياء التمهيدية.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: ألان ألبيج، جامعة ولاية بويز
اقرأ المزيد:
آلان ألبيج يتلقى تمويلا من المعهد الوطني للصحة.