Biomolekulare Kondensate zeigen überraschende Aktivität als Katalysatoren
Forscher entdecken „Kondenzysme“, die zu biochemischen Funktionen in Zellen beitragen
Anzeigen
Biomolekulare Kondensate kommen in lebenden Zellen allgegenwärtig vor, darunter in Bakterien, Viren, Pflanzen und Säugetiersystemen. In diesen membranlosen Körpern – oder molekularen Gemeinschaften aus DNA, RNA und Proteinen – kommen große und kleine Moleküle innerhalb der Zelle zusammen, um verschiedene biochemische Reaktionen zu koordinieren.
Die Phasentrennung, bei der sich Moleküle ähnlich wie Öl und Wasser vom zellulären Milieu trennen, ist die treibende Kraft hinter der Bildung von biomolekularen Kondensaten mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Die meisten Forscher haben sich auf Proteine und Nukleinsäurekomponenten konzentriert, die genetische Informationen in lebenden Zellen speichern, übertragen und exprimieren, sowie auf deren Beitrag zur Kondensatbildung.
Neue Forschungsarbeiten unter der Leitung von Yifan Dai, Assistenzprofessor, und Rohit V. Pappu, Gene K. Beare Distinguished Professor, beide am Fachbereich Biomedizinische Technik und am Zentrum für biomolekulare Kondensate der McKelvey School of Engineering an der Washington University in St. Louis, haben zur Entdeckung von „Kondenszyme“ – also inhärente katalytische Aktivitäten von Kondensaten – entdeckt, obwohl die Kondensate selbst nicht über die Komponenten verfügen, um als Katalysatoren zu wirken. Das Zusammenbringen von Molekülen durch Phasentrennung führt zu der emergenten Eigenschaft, als Katalysatoren zu fungieren.
Forscher in den Labors von Dai und Pappu zeigten, dass Kondensate, die aus intrinsisch ungeordneten Proteinen gebildet werden, an ihren Oberflächen elektrische Felder erzeugen können, die Reaktionen wie die Esterolyse – bei der Ester in eine Säure und einen Alkohol gespalten werden – und die Hydrolyse – bei der Wasser zum Aufbrechen chemischer Bindungen genutzt wird – katalysieren.
In Zusammenarbeit mit Kollegen der Universitäten Columbia, Stanford und Harvard zeigten die Forscher, dass das Zusammenspiel des elektrischen Oberflächenfeldes und grundlegender Veränderungen der Eigenschaften von Wassermolekülen an den Grenzflächen der Kondensate dazu beiträgt, dass die Kondensate als Katalysatoren fungieren können. Darüber hinaus zeigten sie, dass Kondensate, die wie „Kondenzzyme“ funktionieren, die Hydrolyse einer Vielzahl von Verbindungen katalysieren können, wodurch Nukleinsäuren abgebaut werden können, sowie die Hydrolyse von Adenosintriphosphat (ATP), das Energie durch die Zellen transportiert.
„Diese Kondenzzyme katalysieren die Hydrolyse einer Vielzahl von Molekülen“, sagte Dai. „Diese einzigartige Fähigkeit von Kondensaten hat sich in Bakterienzellen bestätigt, was unsere Sichtweise darauf verändert, wie sich die biochemische Landschaft in lebenden Zellen herausbildet.“
Dai und Pappu erklärten, dass ihre Zusammenarbeit das elektrochemische Fachwissen aus Dais Labor mit der computergestützten Modellierung und dem biochemischen Fachwissen aus Pappus Labor verband und dabei auf früheren Forschungsarbeiten beider Labore aufbaute.
„Wir sehen in diesen Ergebnissen das Potenzial für eine Revolution, da wir nun über ein neues Modell von Katalysatoren verfügen, das wir bei der Betrachtung biochemischer Reaktionen in Zellen berücksichtigen müssen“, sagte Pappu.
Dai und Pappu haben in den letzten Jahren die Grundlagen für diese Ergebnisse geschaffen. Das Labor von Dai hat kürzlich entdeckt, dass biomolekulare Kondensate im Stoffwechselkreislauf der Zellen die Rolle von Enzymen übernehmen. In einer 2023 in der Fachzeitschrift „Chem“ veröffentlichten Arbeit berichteten Dai und seine Kollegen, dass die Grenzfläche von biomolekularen Kondensaten ein elektrisches Potential aufweist und das elektrische Feld an der Grenzfläche Redoxreaktionen antreiben kann. Pappus Labor zeigte, dass natürlich vorkommende Kondensate wie Nukleoli durch pH-Gradienten definiert sind und dass Kondensate, obwohl es sich um membranlose Gebilde handelt, durch membranähnliche Potentiale charakterisiert werden. Die Entdeckung der „Kondenszyme“ stellt die nächste Epoche im sich rasch entwickelnden Verständnis der Funktionen von Kondensaten dar.
Die Funktionen von Kondensaten seien umstritten, so Pappu, was einige zu der Annahme veranlasst habe, Kondensate könnten in Zellen lediglich eine Nebenrolle spielen. Diese Erkenntnisse stellten diese Annahme in Frage, sagte er.
„Das Ergebnis ist, dass Zellen entweder Mechanismen entwickelt haben müssen, um die inhärenten katalytischen Funktionen von Kondenszymen zu nutzen, oder dass sie Mechanismen angepasst haben müssen, die die Funktionen von Kondenszymen abschwächen“, sagte Pappu. „So oder so verändern die Erkenntnisse unsere Sichtweise auf Kondensate in lebenden Zellen, da die Auswirkungen auf die Zellphysiologie, auf Krankheiten wie Krebs und neurodegenerative Erkrankungen sowie auf den Bereich der synthetischen Biologie wahrscheinlich von erheblicher Bedeutung sein werden.“
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Originalveröffentlichung
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
