Kleiste grudki, które zmieniły rozumienie mechanizmów życia

Nikt nie spodziewał się tej rewolucji. W 2009 roku zespół biofizyków pod kierownictwem Anthony’ego A. Hymana z Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik w Dreźnie w Niemczech badał drobne, plamkowate struktury zwane granulami P (P granules) w jednokomórkowym zarodku Caenorhabditis elegans – małego żyjącego w glebie nicienia. Wiadomo było, że te drobinki gromadzą się tylko na jednym końcu komórki, co powoduje jej asymetrię i sprawia, że dwie powstające w wyniku podziału komórki potomne są różne. Naukowcy chcieli zrozumieć, jak dochodzi do tak nierównomiernego rozkładu ziarnistości.

Odkryli, że te skupiska białek i RNA kondensują się po jednej stronie komórki niczym krople deszczu w wilgotnym powietrzu, a po drugiej stronie ponownie się rozpuszczają. Innymi słowy, molekularne ziarnistości przechodziły przemiany fazowe podobne do zachodzących podczas zmiany stanu skupienia substancji z cieczy na gaz.

To było dziwne zjawisko w biologii komórkowej. Na początku wydawało się jednak wielu badaczom zaledwie ciekawostką. Później te małe grudki – teraz nazywane kondensatami biomolekularnymi – zaczęto zauważać praktycznie wszędzie.

Biolodzy od dawna uważali, że porządek i organizacja w chaosie cząsteczek wewnątrz komórki są utrzymywane dzięki otoczonym błonami przedziałom lub organellom, takim jak mitochondria. Tymczasem okazuje się, że kondensaty oferują porządek „za darmo”, bez wykorzystywania błon. Zapewniają łatwą, uniwersalną organizację, którą komórki mogą włączać i wyłączać. Taki układ umożliwia wiele procesów, od których zależy życie, wyjaśnia biochemiczka Petra Schwille z Max-Planck-Institut für Biochemie w Martinsried w Niemczech.

Te małe grudki w żywych komórkach znajdujemy teraz we wszystkich domenach życia i są „powiązane z praktycznie każdym aspektem funkcjonowania komórek”, mówi inżynier biofizyk Cliff Brangwynne, który należał do drezdeńskiego zespołu w 2009 roku, a obecnie prowadzi własne laboratorium na Princeton University. Chronią komórki przed ekstremalnymi temperaturami, naprawiają uszkodzenia DNA, nadzorują sposób, w jaki DNA kieruje biosyntezą kluczowych białek. Gdy jednak zawiodą, może dojść do rozwoju choroby.

Kondensaty biomolekularne wydają się kluczowym elementem mechanizmu, za którego pomocą życie koordynuje i zmusza do współpracy niezliczone składniki molekularne, aby tworzyły „komitety” grupowo podejmujące decyzje kluczowe dla naszego istnienia. „Ostatecznym problemem w biologii komórkowej nie jest to, jak pasuje do siebie kilka elementów układanki – mówi Brangwynne – ale jak zbiory miliardów z nich dają początek dynamicznym, emergentnym strukturom w większej skali.”

Te wszechobecne kropki „całkowicie opanowały biologię komórkową” – mówi biofizyk Simon Alberti z Technische Universität Dresden. Obecnie wyzwaniem jest zrozumienie, jak powstają, co robią i – ewentualnie – jak je kontrolować w celu opracowania nowych terapii i leków.

Początkowo badacze uważali, że kondensaty tworzą się przez koalescencję, czyli proces zachodzący w układach koloidalnych, polegający na łączeniu się w większe cząstki cząstek fazy rozproszonej. Jednak kondensaty nie zawsze są po prostu cieczami rozdzielonymi fazowo.

W 2012 roku biofizyk Michael Rosen z University of Texas Southwestern Medical Center w Dallas i jego współpracownicy wykazali, że różne białka i cząsteczki RNA mogą wydzielać się fazowo z roztworu, tworząc krople gęstej cieczy, które następnie zmieniają się w substancje lepkosprężyste. Mogą mieć konsystencję w zakresie od lepkich cieczy, po niemal stałe żele. Albo – jak opisuje to biofizyk Rohit Pappu z Washington University w St. Louis – „wszystkie kondensaty to Silly Putty.”

Ogólna kategoria „kondensaty biomolekularne”, zaproponowana przez Hymana, Rosena i ich współpracowników w 2017 roku, dystansuje te wszechobecne skupiska cząsteczek od wcześniejszego ich opisu jako cieczy.

Te wszechobecne kropki całkowicie opanowały biologię komórkową.

Kondensaty mogą sprawiać wrażenie chaotycznych w porównaniu ze ściśle określonymi molekułami, które przywykli badać biochemicy i biolodzy. „Nie są formą statyczną, lecz molekularnymi miejscami spotkań, często luźnymi zbiorami różnych składników. Niektóre z tych składników, zwane cząsteczkami rusztowania, są kluczowe dla tych struktur, tworząc żelopodobne sieci. Inne, określane niekiedy mianem cząsteczek-klientów, jedynie czasowo tam przebywają. Cząsteczki obu tych typów mogą jednak najprawdopodniej opuszczać kondensat, nie powodując jego rozpadu.

Typowo żele te zawierają białka i cząsteczki RNA. Archetypowy obraz białek to enzymy, białka globularne zbudowane z łańcuchów peptydowych ciasno zwiniętych w kule. Wiele białek w kondensatach to jednak fragmenty otwarte i „wiotkie”, co biochemicy nazywają regionami inherentnie nieuporządkowanymi (intrinsically disordered region, IDR). Takie tworzące kondensaty białka często wydają się mieć „lepkie” obszary, w których na przykład łańcuchy przenoszą ładunki elektryczne umożliwiające wzajemne przyciąganie, połączone ze sobą przez nieuporządkowane i elastyczne fragmenty. W przeciwieństwie do konwencjonalnego przekonania, że białka, takie jak enzymy, wiążą inne cząsteczki mocno i bardzo selektywnie, interakcje białek inherentnie nieuporządkowanych mogą być słabsze i mniej wybiórcze.

Innym składnikiem wielu kondensatów są cząsteczki RNA, które również są długimi łańcuchami mającymi ładunek elektryczny. Kiedyś uważano, że RNA pełni głównie funkcję pośrednika przenoszącego informację z genu do maszynerii rybosomu, który tłumaczy ją na sekwencję aminokwasów w białkach. Jednak RNA tworzące kondensaty zwykle należą do innej rodziny: niekodujących RNA, które nie są jedynie przekaźnikami, lecz celami samymi w sobie.

Niektóre białka w kondensatach należą do rodziny, której zadaniem wydaje się wiązanie RNA. Poprzez dostrajanie sekwencji oraz struktur białek i RNA, tak aby zmieniły charakter swoich wiązań, biologia decyduje o funkcjach kondensatów lub warunkach koniecznych do ich powstania.

Białka na przykład mogą być przełączane w tryb tworzenia kondensatów, przez przyłączenie do nich przez enzymy grup chemicznych, takich jak grupa fosforanowa, co zmienia ich kształt i lepkość. Te małe molekularne skupiska mogą również tworzyć się wtedy, gdy komórka zaczyna syntetyzować konstytutywny RNA. Tak dzieje się choćby w sytuacji, kiedy nasze własne komórki wytwarzają niekodujący RNA zwany NEAT1, który jest rusztowaniem dla kondensatów nazywanych paracętkami (paraspeckles), odgrywających rolę w regulacji ekspresji genów.

Co zaskakujące, naukowcy mieli świadomość istnienia kondensatów, od kiedy zaczęli badać żywe komórki – nie wiedzieli jednak, co z tą wiedzą zrobić. Już w latach 30. XIX wieku mikroskopy wykrywały tajemnicze plamki w jądrze komórkowym. Nazwane wówczas jąderkami, okazały się później miejscem syntezy rybosomów. Jednak dopiero w 2011 roku Brangwynne, Hyman i doświadczony biolog komórkowy Tim Mitchison z Harvard Medical School wyjaśnili, czym w rzeczywistości są jąderka: oddzielonymi fazowo kropelkami cieczy.

Te konkretne krople mają wiele funkcji. Wygląda na to, że pomagają kontrolować wszystkie etapy syntezy rybosomów – złożonych z wielu białek oraz fragmentów RNA. Brangwynne i inni pokazali, że cieczopodobne jąderka (rodzaj kondensatu) są podzielone na kilka koncentrycznych warstw o różnym składzie, niczym jajko. „Taki warstwowy kondensat umożliwia przestrzenne rozdzielenie różnych etapów produkcji” – wyjaśnia Brangwynne.

Poza jąderkami kondensaty są powiązane z innymi dobrze znanymi przedziałami i organellami komórki. Jednym z nich jest aparat Golgiego – ułożone w stos wstęgi błon lipidowych w pobliżu jądra – który działa jak coś w rodzaju sortowni białek i innych cząsteczek. Yiyun Zhang i Joachim Seeman z of University of Texas Southwestern Medical Center w Dallas pokazali, że gdy komórki są narażone na stres, te błony są utrzymywane lub naprawiane przez kondensat utworzony z białka zwanego GM130. Białko to tworzy matrycę na błonie aparatu Golgiego, a następnie zbiera RNA i białka wiążące RNA do ciekłej fazy, która pomaga skleić błony w stos. W warunkach stresowych jednak białko i RNA się rozdzielają, kondensat się rozpada, wstęga dezintegruje. Następnie uwolnione GM130 gromadzi się wraz z RNA w kondensatach zwanych „granulami stresu”, które przechowują materiały gotowe do ponownego sklejenia błon po ustąpieniu zagrożenia.

To tylko przykład tego, jak kondensaty pomagają komórkom przetrwać trudne chwile. Jednym z powszechnych czynników stresogennych jest ciepło, które może powodować denaturację białek, czyli ich rozwijanie, niszczenie drugo- i trzeciorzędowej struktury. Wiele komórek, gdy robi się zbyt gorąco, wytwarza białka szoku cieplnego, które działają jak molekularni opiekunowie, pomagając zdenaturowanym białkom wrócić do ich pierwotnego stanu. To ważne nie tylko dlatego, by białka działały prawidłowo, ale także by rozwinięte nie skleiły się w lepką masę.

Jednak według biochemika D. Allana Drummonda z University of Chicago zawsze coś się w tym obrazie nie zgadzało. Bo przecież oznaczałoby to, że jeśli komórki stają się zbyt gorące i potrzebują białek szoku cieplnego, mogą to zagrożenie wykryć dopiero wtedy, gdy uszkodzenie już nastąpiło. „To po prostu nie ma sensu” – mówi Drummond. Podejrzewa więc, że sposób, w jaki komórki wykrywają podwyższoną temperaturę – i inne formy stresu – polega na tworzeniu kondensatów. W 2017 roku on i jego współpracownicy odkryli, że granule stresu, skupiska występujące w komórkach drożdży, zawierają kondensaty utworzone z białka wiążącego RNA, zwanego Pab1. Gdy białko to zostaje wciągnięte do kondensatu, słabną jego zdolności do wiązania mRNA kodującego białka opiekuńcze potrzebne do ochrony przed szokiem cieplnym.

Kiedy naukowcy wprowadzili mutacje w genie kodującym Pab1, mogli zmieniać skłonność białka do tworzenia kondensatów, co sprawiło, że komórki z mutacją radziły sobie gorzej w podwyższonych temperaturach. Dlatego Drummond uważa, że powstawanie kondensatów – przemiana fazowa zachodząca gwałtownie przy określonym progu (np. temperatury) – samo w sobie jest sygnalizatorem stresu, który ostrzega komórkę o problemie i zmusza do reakcji. „Dodajesz do obrazka kondensaty i od razu zaczynasz całkowicie inaczej myśleć” – mówi.

Innym powszechnym zagrożeniem dla komórek są na przykład uszkodzenia DNA spowodowane ekspozycją na światło ultrafioletowe lub toksyny środowiskowe. Grupa Alberta odkryła, że kondensaty mogą działać jak superklej, utrzymując razem uszkodzone nici DNA, podczas gdy enzymy je naprawiają.

Od dawna wiadomo, że w naprawie DNA bierze udział białko zwane PARP1, a na początku 2024 roku zespół Alberta poinformował, że cząsteczka ta porusza się wzdłuż nici DNA, aż znajdzie przerwę, po czym agreguje z DNA w kondensat, odseparowując uszkodzenie od reszty jądra. „Ten klej jest bardzo spoisty” – mówi Alberti. Następnie do grudki kleju wnika białko FUS, zmiękczając ją, dzięki czemu inne enzymy mogą pracować w obrębie kondensatu, łącząc z powrotem końce nici. Ponieważ uszkodzenia DNA mogą być śmiertelne dla komórek, leki celujące w PARP1 w komórkach nowotworowych i zatrzymujące naprawę DNA poprzez utrwalenie kleju w jego „stałej” formie mogą te komórki zabić.

Organizowanie złożonych procesów biochemicznych i reagowanie na stres to dwie typowe funkcje kondensatów. Pappu, jego kolega Yifan Dai i ich współpracownicy niedawno odkryli kolejną: kondensaty mogą działać jako katalizatory reakcji biochemicznych, nawet jeśli ich białkowe składniki nie mają takich właściwości. Dzieje się tak, ponieważ kondensaty tworzą interfejs między dwiema fazami, co prowadzi do powstania gradientu stężeń – na przykład jonów, co skutkuje powstaniem pola elektrycznego, które może inicjować reakcje. Naukowcy zademonstrowali katalizę indukowaną przez kondensaty w szerokim zakresie reakcji biochemicznych, w tym tych z udziałem hydrolizy.

Kondensaty mogą także odgrywać rolę w jednym z najważniejszych procesów biologicznych: w regulacji ekspresji genów, procesie, który decyduje o tym, czy powstaną lub nie odpowiadające im białka. W złożonych organizmach, takich jak ludzie, początkowy proces transkrypcji – podczas którego gen w DNA jest odczytywany w celu utworzenia cząsteczki mRNA będącej matrycą dla białka – jest zdumiewająco skomplikowany. Angażuje wielu graczy: m.in. regiony DNA poza samym genem, takie jak wzmacniacze (często znajdujące się w odległych częściach nici), czynniki transkrypcyjne wiążące się z DNA i enzymy syntetyzujące RNA. Jak wszystkie te komponenty się łączą i dochodzą do grupowej decyzji o przebiegu transkrypcji, nadal pozostaje niejasne.

Wydaje się, że przypominające kondensaty agregaty mogą być tym, co łączy te komponenty w splątanej strukturze DNA w jądrze komórkowym. Sama nić DNA może działać jako zalążek takich kropelek, podobnie jak cząsteczki kurzu w atmosferze inicjują kondensację kropli chmurowych. Taka „bryłka” może następnie przyciągać odległe od promotora genu sekwencje wzmacniaczy transkrypcji, jednocześnie gromadząc wszystkie inne niezbędne cząsteczki i zapobiegając ich rozproszeniu.

Skupienia cząsteczek tworzące się podczas transkrypcji są znacznie mniejsze niż w przypadku wielu innych kondensatów, co utrudnia ich dokładne obserwowanie w jądrze żywych komórek. Wciąż trwa debata, czy takie „transkrypcyjne centra” są rzeczywiście ciekłymi kroplami i czy formowanie kondensatów jest kluczowym elementem tego procesu, czy jedynie jego efektem ubocznym. Inną możliwością, jak sugeruje Drummond, jest to, że gdy wszystkie te cząsteczki zostają zgromadzone w jednym miejscu, układają się w bardziej uporządkowany kompleks inicjujący transkrypcję, a ich nagromadzenie dodatkowo prowadzi do powstawania kondensatów.

„Mówię ludziom, że jedyne, co wiem, to to, że te [transkrypcyjne] białka naprawdę chcą ulegać separacji fazowej” – mówi Brangwynne.

Agregacja białek w gęste skupiska wydaje się kluczowym aspektem funkcjonowania życia. Jednak ten proces ma również swoją mroczną stronę.

Splątane zbitki białek od dawna wiąże się ze schorzeniami neurodegeneracyjnymi, takimi jak choroby Parkinsona i Alzheimera. Te nierozpuszczalne włókna, zwane amyloidami, mogą być toksyczne dla komórek i niszczyć tkankę nerwową. Niektórzy badacze podejrzewają, że takie problematyczne agregaty białek mogą być na przykład wynikiem niewłaściwej kontroli wszechobecnych, efemerycznych kondensatów z powodu mutacji genów wpływających na składniki białkowe w sposób, który sprzyja tworzeniu się długo utrzymujących się stałych skupisk.

Z początku badacze wyznawali zasadę: „ciecz dobra, ciało stałe złe” – jednak to podejście okazało się zbyt uproszczone, ponieważ prawidłowe kondensaty mogą mieć różnorodne własności materiałowe, w tym przypominać ciało stałe. Kluczowym problemem w tej kwestii jest obecnie to, co naprawdę odróżnia „dobre” kondensaty od „złych”.

Bada się możliwe powiązanie kondensatów z patologicznymi amyloidami w poszukiwaniu terapii chorób neurodegeneracyjnych. Istnieje możliwość, że antysensowne oligonukleotydy – krótkie sekwencje kwasów nukleinowych, które mogą wiązać się z RNA – mogłyby być używane do przeciwdziałania agregacji białek związanych z tymi schorzeniami. Są one również badane pod kątem dezaktywowania RNA tworzących kondensaty.

Podobnie znaczenie kondensatów, takich jak paracętki, w regulacji ekspresji genów oznacza, że ich wadliwe działanie może prowadzić do wielu chorób, w tym nowotworów. Obecnie rozwija się nowa dziedzina terapeutyki kondensatowej, której pionierami są start-upy, takie jak Dewpoint Therapeutics (założony przez Hymana, biologa Richarda Younga z MIT i noblistę Phillipa A. Sharpa) oraz Nereid Therapeutics (wykorzystujące prace Brangwynne’a), oba z siedzibą w Bostonie. „Postęp jest ogromny – mówi Brangwynne. – Pierwsze leki oparte na biofizyce kondensatów są już na etapie badań klinicznych.”

Na razie najwięcej uwagi skupiają terapie chorób neurodegeneracyjnych i nowotworowych, ale trwają również prace nad zwalczaniem poprzez kondensaty infekcji wirusowych. Niektóre wirusy wydają się „przejmować” białka tworzące kondensaty, aby wspomóc swoją replikację – więc celowanie w te kondensaty mogłoby zahamować wirusa. W 2021 roku badacze z Francji i Chin wykazali, że lek, który sprawia, że indukowane przez wirusa kondensaty, zwane ciałkami inkluzyjnymi, zaczynają bardziej przypominać ciało stałe, może zakłócić infekcję ludzkim syncytialnym wirusem oddechowym (respiratory syncytial virus, RSV).

w 2023 roku Brangwynne i Hyman otrzymali za swoje badania Breakthrough Prize w wysokości 3 mln dolarów, co było niewątpliwie sygnałem, że kondensaty znalazły się w centrum uwagi. „W ciągu kolejnych 10 lat czeka nas mnóstwo fascynujących odkryć” – mówi Alberti. Choć wiele pytań dotyczących biomolekularnych kondensatów pozostaje otwartych, struktury te stanowią, według Drummonda, „oczekiwaną rewolucję”.

Może się wydawać dziwne, że tak dużo czasu zajęło badaczom dostrzeżenie kondensatów w ich rzeczywistej roli. Przynajmniej częściowo wynika to z faktu, że nie pasują one do obrazu biologii molekularnej, który dominował przez wiele dekad.

Tradycyjny paradygmat opierał się na tym, że molekuły przekazują informacje w komórce poprzez selektywne interakcje, ściśle zakodowane w ich strukturze. Kondensaty temu przeczą. Są luźne, przejściowe i elastyczne, a także pokazują, że wiele kluczowych procesów komórkowych odbywa się pod kierunkiem „molekularnych komitetów” składających się z setek członków.

Schwille podejrzewa, że osiągnięcie molekularnego porządku za pomocą kondensatów było prawdopodobnie kluczowe dla samego początku życia, zanim kwasy nukleinowe i białka wyewoluowały do precyzyjnie zdefiniowanych struktur. Kondensaty pokazują choćby, jak komórkopodobne przedziały mogły powstać spontanicznie z prekursorów tych biopolimerów na drodze separacji fazowej.

W rzeczywistości skupiska białek tego typu zostały opisane już w 1929 roku przez dwóch holenderskich chemików, którzy nazwali je koacerwatami, a kilka lat później rosyjski biochemik Aleksander Oparin określił je jako pierwsze prymitywne „protokomórki”. Schwille twierdzi, że dzięki takim strukturom, poprzez separację niektórych cząsteczek od innych, mogły tworzyć się gradienty stężeń podtrzymujące organizmy żywe w stanie nierównowagi.

Kondensaty pomagają komórkom przetrwać trudne chwile.

Pappu spekuluje, że katalityczne kondensaty mogły odgrywać ważną rolę w takich prymitywnych formach życia, zanim białka same stały się zdolne do działania jako enzymy. Wśród kluczowych pytań na przyszłość, jak mówi Alberti, jest to, jak ewolucja wykorzystała kondensaty. Jak dobór naturalny wpływa na swoich molekularnych graczy, aby zmieniać i dostrajać ich zdolność do tworzenia kondensatów? „Badanie tego zagadnienia będzie fascynujące – mówi Alberti. – Trzeba połączyć biologię ewolucyjną z fizyką.”

Na razie kondensaty sygnalizują nową fazę w naszym rozumieniu funkcjonowania życia w skali molekularnej. „Zdajemy sobie teraz sprawę, że [tradycyjna] biochemia i biologia nie wystarczą do opisania tego, co dzieje się w komórce” – mówi Alberti. Musimy zrozumieć, jak wszystkie te składniki koordynują swoje interakcje, aby stworzyć całość, jaką jest komórka.

Kondensaty ujawniają istotną skalę, w której ta koordynacja zachodzi: gdzieś pomiędzy rozmiarem wieloskładnikowych kompleksów, takich jak chromosomy, a rozmiarem całych komórek. To skala, w której molekuły przestają działać jak precyzyjne małe maszyny, a zaczynają skupiać się w coś w rodzaju materialnego bytu, kierowanego kolektywną fizyką przejść fazowych, ale nadal wrażliwego na własności swoich molekularnych komponentów. Nie znamy jeszcze reguł rządzących w tych skalach. Ale jest coraz bardziej oczywiste, że od nich zależy życie.