بارهای الکتریکی نامتعادل در میعانات بیومولکولی جرقه واکنش های ردوکس را می دهد

بدن انسان به شدت به بارهای الکتریکی متکی است. پالس‌های انرژی مانند رعد و برق از طریق مغز و اعصاب عبور می‌کنند و بیشتر فرآیندهای بیولوژیکی به یون‌های الکتریکی بستگی دارند که در سراسر غشای هر سلول بدن ما حرکت می‌کنند.

این سیگنال های الکتریکی تا حدی به دلیل عدم تعادل در بارهای الکتریکی که در دو طرف غشای سلولی وجود دارد، امکان پذیر است. تا همین اواخر، محققان معتقد بودند که غشاء جزء ضروری برای ایجاد این عدم تعادل است. اما زمانی که محققان دانشگاه استنفورد دریافتند که بارهای الکتریکی نامتعادل مشابهی می توانند بین ریز قطرات آب و هوا وجود داشته باشند، این فکر به ذهن متبادر شد.

اکنون، محققان دانشگاه دوک کشف کرده‌اند که این نوع میدان‌های الکتریکی در داخل و اطراف نوع دیگری از ساختار سلولی به نام میعانات بیولوژیکی نیز وجود دارند. مانند قطرات نفت شناور در آب، این ساختارها به دلیل تفاوت در چگالی وجود دارند. آنها بدون نیاز به مرز فیزیکی غشاء، محفظه هایی را در داخل سلول تشکیل می دهند.

با الهام از تحقیقات قبلی که نشان می‌داد ریز قطرات آب در تعامل با هوا یا سطوح جامد، عدم تعادل الکتریکی کوچکی ایجاد می‌کنند، محققان تصمیم گرفتند ببینند که آیا همین امر در مورد میعانات بیولوژیکی کوچک نیز صادق است یا خیر. آنها همچنین می‌خواستند ببینند که آیا این عدم تعادل‌ها باعث ایجاد واکنش‌هایی مانند واکنش‌های اکسیژن واکنش‌دهنده، «اکسایش و کاهش» می‌شود یا خیر.

در 28 آوریل در مجله ظاهر شد شیمی، کشف بنیادی آنها می تواند طرز فکر محققان را در مورد شیمی بیولوژیکی تغییر دهد. همچنین می‌تواند سرنخی در مورد چگونگی استفاده از اولین حیات روی زمین از انرژی لازم برای پیدایش فراهم کند.

“در یک محیط پری بیوتیک بدون آنزیم برای کاتالیز واکنش ها، انرژی از کجا می آید؟” از یفان دای، محقق فوق دکترای دوک که در آزمایشگاه آشوتوش چیلکوتی کار می کند، پروفسور برجسته مهندسی بیومدیکال آلن ال. کاگانف و لینگچونگ شما، پروفسور ممتاز مهندسی زیست پزشکی جیمز ال. مریام، پرسید.

دای گفت: “این کشف توضیح قابل قبولی را ارائه می دهد که انرژی واکنش از کجا می توانسته باشد، درست مانند انرژی پتانسیلی که در یک بار نقطه ای قرار داده شده در یک میدان الکتریکی منتشر می شود.”

هنگامی که بارهای الکتریکی بین یک ماده و ماده دیگر پرش می کنند، می توانند قطعات مولکولی تولید کنند که می توانند جفت شوند و رادیکال های هیدروکسیل را تشکیل دهند که دارای فرمول شیمیایی OH هستند. سپس اینها می توانند دوباره جفت شوند تا پراکسید هیدروژن (H2O2) را در مقادیر بسیار کوچک اما قابل تشخیص تشکیل دهند.

اما رابط‌ها به ندرت در رژیم‌های بیولوژیکی غیر از غشای سلولی که یکی از ضروری‌ترین بخش‌های زیست‌شناسی است، مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. بنابراین ما متعجب بودیم که چه اتفاقی ممکن است در سطح مشترک میعانات بیولوژیکی بیفتد، یعنی اگر یک سیستم نامتقارن نیز باشد.”

یفان دای، محقق فوق دکتری دوک

سلول‌ها می‌توانند میعانات بیولوژیکی بسازند تا پروتئین‌ها و مولکول‌های خاصی را جدا کرده یا به دام بیاندازند و یا مانع یا ارتقاء فعالیت آنها شوند. محققان تازه شروع به درک چگونگی کارکرد میعانات و برای چه چیزی می‌کنند.

از آنجایی که آزمایشگاه چیلکوتی در ایجاد نسخه های مصنوعی از میعانات بیولوژیکی طبیعی تخصص دارد، محققان به راحتی توانستند یک بستر آزمایشی برای نظریه خود ایجاد کنند. پس از ترکیب فرمول مناسب بلوک های سازنده برای ایجاد میعانات کوچک، با کمک محقق فوق دکتری مارکو مسینا در؟ گروه کریستوفر جی چانگ در دانشگاه کالیفرنیا – برکلی، رنگی را به سیستم اضافه کردند که در حضور گونه های فعال اکسیژن می درخشد.

تصور آنها درست بود. هنگامی که شرایط محیطی مناسب بود، یک درخشش جامد از لبه‌های میعانات شروع شد و تأیید کرد که یک پدیده ناشناخته قبلاً در کار بوده است. دای سپس با ریچارد زارع، استاد مارگریت بلیک ویلبر، استاد شیمی در استنفورد، که گروهش رفتار الکتریکی قطرات آب را تعیین کرد، صحبت کرد. زارع از شنیدن رفتار جدید در سیستم‌های بیولوژیکی هیجان‌زده شد و شروع به کار با گروه بر روی مکانیسم اساسی کرد.

زارع گفت: “با الهام از کار قبلی روی قطرات آب، دانشجوی فارغ التحصیل من، کریستین چمبرلین، و من فکر کردیم که همان اصول فیزیکی ممکن است اعمال شود و شیمی ردوکس را ترویج کند، مانند تشکیل مولکول های پراکسید هیدروژن.” “این یافته ها نشان می دهد که چرا میعانات در عملکرد سلول ها بسیار مهم هستند.”

چیلکوتی گفت: «بیشتر کارهای قبلی بر روی میعانات زیست مولکولی بر درون آنها متمرکز شده است. “کشف یفان مبنی بر اینکه میعانات زیست مولکولی به نظر می رسد به طور جهانی فعال ردوکس هستند، نشان می دهد که میعانات فقط برای انجام عملکردهای بیولوژیکی خاص همانطور که معمولاً درک می شود تکامل نیافته اند، بلکه دارای یک عملکرد شیمیایی حیاتی هستند که برای سلول ها ضروری است.”

در حالی که پیامدهای بیولوژیکی این واکنش مداوم در سلول‌های ما مشخص نیست، دای به نمونه‌ای از پری بیوتیک اشاره می‌کند که نشان می‌دهد اثرات آن چقدر می‌تواند قدرتمند باشد. نیروگاه‌های سلول‌های ما که میتوکندری نامیده می‌شوند، انرژی را برای همه عملکردهای زندگی ما از طریق یک فرآیند شیمیایی اولیه ایجاد می‌کنند. اما قبل از اینکه میتوکندری ها یا حتی ساده ترین سلول ها وجود داشته باشند، چیزی باید انرژی را برای اولین عملکرد زندگی فراهم می کرد تا شروع به کار کند.

محققان پیشنهاد کرده اند که این انرژی از طریق دریچه های حرارتی در اقیانوس ها یا چشمه های آب گرم تامین می شود. برخی دیگر پیشنهاد کرده اند که همین واکنش ردوکس که در ریز قطرات آب رخ می دهد توسط اسپری امواج اقیانوس ایجاد شده است.

اما چرا به جای آن متراکم نمی شود؟

دای گفت: «جادو می تواند زمانی اتفاق بیفتد که مواد کوچک شوند و حجم سطحی در مقایسه با حجم آن بسیار زیاد شود. “من فکر می کنم مفاهیم برای بسیاری از زمینه های مختلف مهم هستند.”