细胞内的“流氓‘器官’可能蕴藏着地球生命起源的秘密”

无膜细胞器，也称为生物分子凝聚物，正在改变科学家对蛋白质化学、各种疾病甚至生命起源的看法。

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回想一下您在高中时上过的基础生物学课。您可能了解过细胞器，即细胞内的那些小“器官”，它们形成具有各自功能的区室。例如，线粒体产生能量，溶酶体回收废物，细胞核储存DNA。尽管每个细胞器的功能不同，但它们的相似之处在于每个细胞器都被膜包裹着。

膜结合细胞器是科学家认为细胞如何组织的教科书标准，直到他们在 2000 年代中期意识到某些细胞器不需要包裹在膜中。从那时起，研究人员发现了许多额外的无膜细胞器，这些细胞器极大地改变了生物学家对化学和生命起源的看法。

几年前，当学生在我的实验室观察到细胞核中的一些不寻常的斑点时，我了解到了无膜细胞器，正式名称为生物分子凝聚体。我不知道的是，我们实际上已经研究生物分子凝聚物很多年了。我最终在这些斑点中看到的东西让我看到了一个全新的细胞生物学世界。

就像熔岩灯一样

为了了解生物分子凝聚物的样子，想象一盏熔岩灯，里面的蜡块融合在一起，分裂，然后再次融合。冷凝物以大致相同的方式形成，尽管它们不是由蜡制成的。相反，细胞中的一组蛋白质和遗传物质，特别是 RNA 分子，会凝结成凝胶状的液滴。

一些蛋白质和 RNA 之所以这样做，是因为它们优先相互作用，而不是与周围环境相互作用，就像熔岩灯中的蜡滴彼此混合，但不与周围液体混合一样。这些凝结物创造了一个新的微环境，吸引额外的蛋白质和 RNA 分子，从而在细胞内形成独特的生化区室。

截至 2022 年，研究人员已发现约 30 种此类无膜生物分子缩合物。相比之下，已知的传统膜结合细胞器约有十几种。

虽然一旦您知道自己要寻找什么就很容易识别，但很难弄清楚生物分子缩合物到底有什么作用。有些具有明确的作用，例如形成生殖细胞、应激颗粒和制造蛋白质的核糖体。然而，许多其他的没有明确的功能。

非膜结合细胞器比膜结合细胞器具有更多和更多样化的功能。了解这些未知功能正在影响科学家对细胞工作原理的基本理解。

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蛋白质结构和功能

生物分子凝聚体正在打破人们长期以来对蛋白质化学的一些看法。

自从 20 世纪 50 年代科学家首次深入研究肌红蛋白的结构以来，很明显它的结构对于其在肌肉中输送氧气的能力非常重要。从那时起，生物化学家的口头禅就是蛋白质结构等于蛋白质功能。基本上，蛋白质具有特定的形状，使它们能够发挥作用。

形成生物分子缩合物的蛋白质至少部分打破了这一规则，因为它们含有无序区域，这意味着它们没有明确的形状。当研究人员在 20 世纪 80 年代初发现这些所谓的内在无序蛋白质 (IDP) 时，他们最初对这些蛋白质如何缺乏强大的结构但仍然执行特定功能感到困惑。

后来，他们发现国内流离失所者往往会形成凝结物。正如科学中经常发生的情况一样，这一发现解决了这些非结构化流氓蛋白在细胞中发挥的作用的一个谜团，但却引发了另一个更深层次的问题，即生物分子凝聚物到底是什么。

细菌细胞

研究人员还在原核细胞或细菌细胞中检测到生物分子凝聚物，这些细胞传统上被定义为不含细胞器。这一发现可能会对科学家如何理解原核细胞的生物学产生深远的影响。

只有大约 6% 的细菌蛋白具有缺乏结构的无序区域，而真核或非细菌蛋白的这一比例为 30% 至 40%。但科学家们在原核细胞中发现了几种生物分子凝聚物，它们涉及多种细胞功能，包括制造和分解RNA。

细菌细胞中生物分子凝聚物的存在意味着这些微生物并不是简单的蛋白质和核酸袋，而是实际上比以前认识的更复杂。

生命的起源

生物分子凝聚体也正在改变科学家对地球生命起源的看法。

有充分的证据表明，作为 RNA 和 DNA 的组成部分的核苷酸很可能是由常见的化学物质（例如氰化氢和水）在存在常见能源（例如紫外线或高温）的情况下，在普遍常见的矿物质上制成的。例如二氧化硅和铁粘土。

还有证据表明，单个核苷酸可以自发地组装成链来制造RNA。这是RNA世界假说的关键一步，该假说假设地球上第一个“生命形式”是RNA链。

一个主要问题是这些 RNA 分子如何进化出自我复制并组织成原始细胞的机制。由于所有已知的生命都被包裹在膜中，研究生命起源的研究人员大多认为膜也需要封装这些 RNA。这需要合成构成膜的脂质或脂肪。然而，早期地球上可能并不存在制造脂质所需的材料。

随着RNA可以自发形成生物分子缩合物的发现，形成原始细胞不再需要脂质。如果 RNA 能够自行聚集成生物分子凝聚物，那么生命分子源自地球上的非生命化学物质就变得更加合理。

新疗法

对于我和其他研究生物分子凝聚体的科学家来说，梦想这些打破规则的实体将如何改变我们对生物学运作方式的看法是令人兴奋的。冷凝物已经改变了我们对人类疾病的看法，例如阿尔茨海默病、亨廷顿病和卢伽雷氏病。

为此，研究人员正在开发几种将冷凝物用于医疗目的的新方法，例如可以促进或溶解冷凝物的新药物。这种治疗疾病的新方法是否会取得成果仍有待确定。

从长远来看，如果每个生物分子凝聚体最终被赋予特定的功能，我不会感到惊讶。如果发生这种情况，你可以打赌，高中生物学学生在生物学入门课上将有更多需要学习或抱怨的地方。

这篇编辑过的文章是在知识共享许可下从The Conversation重新发布的。阅读原始文章。