隐藏在我们细胞中的微小“器官”可能会挑战生命的起源

回想一下你在高中时上过的那门基础生物课。您可能了解了细胞，细胞内的那些小“器官”，形成具有各自功能的隔室。

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包裹在一层膜中。

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 年代中期意识到一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其他无膜细胞器，这些细胞器显着改变了生物学家对化学和生命起源的看法。

我被介绍给无膜细胞器，正式名称为生物分子凝聚物，几年前，当学生在我的实验室里在细胞核中观察到一些不寻常的斑点。

我不知道的是，我们实际上已经研究生物分子凝聚态多年了。我最终在这些斑点中看到的东西让我看到了细胞生物学的一个全新世界。

像一盏熔岩灯

要了解生物分子凝聚物是什么样子，可以想象一盏熔岩灯，里面的蜡块融合在一起，破裂并再次融合。凝聚以大致相同的方式形成，尽管它们不是由蜡制成的。相反，细胞中的蛋白质和遗传物质簇，特别是 RNA 分子，会凝结成凝胶状液滴。

一些蛋白质和 RNA 之所以这样做，是因为它们优先相互相互作用，而不是与周围环境相互作用，这非常类似于熔岩灯中的蜡滴相互混合，而不是与周围液体混合。这些冷凝物创造了一个新的微环境，吸引了额外的蛋白质和 RNA 分子，从而在细胞内形成一个独特的生化隔室。

截至 2022 年，研究人员发现大约30 种无膜生物分子缩合物.相比之下，大约有十几种已知的传统膜结合细胞器。

虽然一旦你知道自己在寻找什么就很容易识别，但很难弄清楚生物分子凝聚物到底有什么作用。有些具有明确定义的角色，例如形成生殖细胞,应力颗粒和蛋白质制造核糖体.但是，许多其他应用程序没有明确的功能。

非膜结合的细胞器可能比膜结合的细胞器具有更多和多样化的功能。了解这些未知的功能正在影响科学家对细胞工作原理的基本理解。

蛋白质结构和功能

生物分子凝聚物正在打破一些关于蛋白质化学的长期信念。

自从科学家们第一次仔细观察蛋白质肌红蛋白的结构在 1950 年代，很明显，它的结构对于它在肌肉中穿梭氧气的能力很重要。从那时起，生物化学家的口头禅一直是蛋白质结构等于蛋白质功能。基本上，蛋白质具有一定的形状，使它们能够执行其工作。

形成生物分子凝聚物的蛋白质至少部分打破了这一规则，因为它们包含无序区域，这意味着它们没有明确的形状。当研究人员发现这些所谓的固有无序蛋白 （IDP），在 1980 年代初期，他们最初对这些蛋白质如何缺乏强大的结构但仍执行特定功能感到困惑。

后来，他们发现IDP 往往会形成冷凝物.正如科学中经常出现的情况一样，这一发现解开了关于这些非结构化流氓蛋白质在细胞中所扮演角色的一个谜团，却又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

研究人员还检测到原核生物中的生物分子凝聚物或细菌细胞，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质的 30% 至 40% 则为零。但科学家们在原核细胞中发现了几种涉及多种细胞功能的生物分子凝聚物，包括 making 和分解 RNA.

细菌细胞中存在生物分子凝聚物意味着这些微生物不是简单的蛋白质和核酸袋，而是实际上比以前认识到的要复杂得多。

生命的起源

生物分子凝聚物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，核苷酸，即 RNA 和 DNA 的组成部分，可以非常合理地由常见的化学物质（如氰化氢和水）在常见的能源（如紫外线或高温）存在下，在普遍常见的矿物（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，该研究假设地球上的第一个“生命形式”是 RNA 链。

一个主要问题是这些 RNA 分子是如何进化出自我复制并组织成原细胞的机制的。因为所有已知的生命都被包裹在膜中，所以研究生命起源的研究人员大多假设膜也需要封装这些 RNA。

这将需要合成构成膜的脂质或脂肪。然而，制造脂质所需的材料可能在早期地球上不存在。

随着RNA 可以自发形成生物分子凝聚物，不需要脂质来形成原生细胞。如果 RNA 能够自行聚集成生物分子凝聚物，那么活分子产生于地球上无生命化学物质的可能性就更大了。

新疗法

对于我和其他研究生物分子凝聚态的科学家来说，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。凝析油已经改变我们的方式想想人类疾病喜欢阿尔茨海默病、亨廷顿和卢·贾里克的。

为此，研究人员正在开发几种新方法处理用于医疗目的的冷凝物比如可以促进或溶解凝聚物的新药。这种治疗疾病的新方法是否会结出果实还有待确定。

从长远来看，如果每个生物分子凝聚物最终都被分配了特定的功能，我不会感到惊讶。如果发生这种情况，您可以打赌，高中生物学生在他们的入门生物学课程中将有更多的东西要学习或抱怨。

艾伦·阿尔比格， 生物科学副教授，博伊西州立大学

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