I condensati biomolecolari rivelano una sorprendente attività come catalizzatori
I ricercatori scoprono i “condenzimi”, che contribuiscono alle funzioni biochimiche delle cellule
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I condensati biomolecolari sono onnipresenti nelle cellule viventi, inclusi batteri, virus, piante e sistemi mammiferi. Questi corpi privi di membrana, ovvero comunità molecolari costituite da DNA, RNA e proteine, rappresentano il luogo in cui le molecole, grandi e piccole, presenti all’interno della cellula si riuniscono per coordinare varie reazioni biochimiche.
La separazione di fase, in cui le molecole si separano dall’ambiente cellulare in modo simile alla separazione tra olio e acqua, è la forza motrice alla base della formazione di condensati biomolecolari distinti per composizione. La maggior parte dei ricercatori si è concentrata sulle proteine e sui componenti degli acidi nucleici, che immagazzinano, trasmettono ed esprimono le informazioni genetiche nelle cellule viventi, e sul loro contributo alla formazione dei condensati.
Un nuovo lavoro condotto da Yifan Dai, assistente professore, e Rohit V. Pappu, Gene K. Beare Distinguished Professor, entrambi presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica e il Centro per i Condensati Biomolecolari della McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis, li ha portati a scoprire i «condenzymi», ovvero attività catalitiche intrinseche dei condensati, nonostante questi ultimi non possiedano i componenti necessari per agire essi stessi da catalizzatori. L’aggregazione delle molecole tramite separazione di fase dà origine alla proprietà emergente di fungere da catalizzatori.
I ricercatori dei laboratori di Dai e Pappu hanno dimostrato che i condensati formati da proteine intrinsecamente disordinate possono generare campi elettrici sulle loro superfici, in grado di catalizzare reazioni quali l’esterolisi — che scinde gli esteri in un acido e un alcool — e l’idrolisi, in cui l’acqua viene utilizzata per rompere i legami chimici.
In collaborazione con colleghi delle università di Columbia, Stanford e Harvard, i ricercatori hanno dimostrato che la combinazione del campo elettrico superficiale e dei cambiamenti fondamentali nelle proprietà delle molecole d’acqua alle interfacce dei condensati contribuisce alla capacità dei condensati di agire come catalizzatori. Inoltre, hanno dimostrato che i condensati, che funzionano come “condenzimi”, possono catalizzare l’idrolisi di una varietà di composti, consentendo la degradazione degli acidi nucleici, nonché l’idrolisi dell’adenosina trifosfato (ATP), che trasporta energia all’interno delle cellule.
«Questi condenzimi catalizzano l’idrolisi di una vasta gamma di molecole», ha affermato Dai. «Questa capacità unica dei condensati si è dimostrata valida nelle cellule batteriche, il che cambia il nostro modo di concepire come si configura il panorama biochimico nelle cellule viventi».
Dai e Pappu hanno affermato che la loro collaborazione ha unito le competenze elettrochimiche del laboratorio di Dai con la modellazione computazionale e le competenze biochimiche del laboratorio di Pappu, basandosi su ricerche precedenti condotte in entrambi i laboratori.
«Riteniamo che da questi risultati possa scaturire una potenziale rivoluzione, poiché ora disponiamo di un nuovo archetipo di catalizzatori da prendere in considerazione quando si analizzano le reazioni biochimiche nelle cellule», ha affermato Pappu.
Dai e Pappu hanno gettato le basi per questi risultati nel corso degli ultimi anni. Il laboratorio di Dai ha recentemente scoperto che i condensati biomolecolari svolgono il ruolo di enzimi nel ciclo metabolico delle cellule. In un articolo pubblicato nel 2023 su *Chem*, Dai e i suoi colleghi hanno riportato che l’interfaccia dei condensati biomolecolari possiede un potenziale elettrico e che il campo elettrico interfacciale può guidare reazioni redox. Il laboratorio di Pappu ha dimostrato che i condensati presenti in natura, come i nucleoli, sono definiti da gradienti di pH e che, pur essendo corpi privi di membrana, sono caratterizzati da potenziali simili a quelli delle membrane. La scoperta dei «condenzimi» rappresenta una nuova era nella comprensione, in rapida evoluzione, delle funzioni dei condensati.
Le funzioni dei condensati sono state oggetto di dibattito, ha affermato Pappu, portando alcuni a suggerire che i condensati potessero essere semplici spettatori all’interno delle cellule. Questi risultati mettono in discussione tale ipotesi, ha aggiunto.
«La conclusione è che le cellule devono aver sviluppato meccanismi per sfruttare le funzioni catalitiche intrinseche dei condenzimi, oppure devono aver adottato meccanismi che ne attenuano le funzioni», ha dichiarato Pappu. «In entrambi i casi, questi risultati cambiano il nostro modo di concepire i condensati nelle cellule viventi, poiché le implicazioni per la fisiologia cellulare, per malattie quali il cancro e la neurodegenerazione, nonché per il campo della biologia sintetica, saranno probabilmente di notevole rilevanza».
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