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Geheimnisvolle Tröpfchen im Inneren von Zellen: Wie verändert die Phasentrennung die Biologie?
Auf dem Gebiet der Biochemie sind biomolekulare Kondensate eine Klasse membranloser Organellen und Organellen-Subdomänen, die für die Ausführung spezieller Funktionen innerhalb der Zelle verantwortlich sind. Die Zusammensetzung dieser Kondensate wird nicht durch die Grenzmembran gesteuert, sondern bildet und erhält Gewebe durch verschiedene Prozesse. Der bekannteste Prozess ist die Phasentrennung von Proteinen, RNA und anderen biologischen Makromolekülen zur Bildung von Aggregaten wie kolloidalen Emulsionen, Gelen, Flüssigkristallen, festen Kristallen oder intrazellulären Aggregaten.
Die Entstehung biomolekularer Kondensate hat unser Verständnis der inneren Struktur und Funktion von Zellen völlig verändert.
Historischer Hintergrund
Mikrozellentheorie
Die Mikrozellentheorie wurde 1858 von Carl Negelli vorgeschlagen, der Stärkekörnchen eingehend untersuchte. Er glaubte, dass amorphe Substanzen wie Stärke und Zellulose aus Bausteinen bestehen, die in losen Kristallen angeordnet sind und Mikrozellen bilden. Zwischen diesen Mikrozellen kann Wasser eindringen und zwischen alten Mikrozellen können sich neue Mikrozellen bilden. Dieses Modell wurde nicht nur zur Beschreibung der Quellung von Stärkekörnchen, sondern auch für Cellulose in pflanzlichen Zellwänden verwendet.
Kolloidale Phasentrennungstheorie
Im späten 19. Jahrhundert beschrieben William Bate Hardy und Edmund Beecher Wilson das Zytoplasma (damals „Protoplasma“ genannt) als Kolloid. In seiner Studie über Globulin verknüpfte Hardy die Bildung biologischer Kolloide mit der Phasentrennung und betonte, wie sich kolloidale Partikel in Lösungsmitteln verteilen und innere Phasen bilden. In nachfolgenden Studien begannen Wissenschaftler, die Bedeutung der Phasentrennung in der inneren Struktur von Zellen erneut zu untersuchen.
Überprüfung der Phasentrennung
Als sich die konfokale Mikroskopie im späten 20. Jahrhundert verbesserte, entdeckten Forscher, dass Proteine, RNA oder Kohlenhydrate in vielen membranlosen Zellgruppen konzentriert sein könnten. In dieser Zeit wurde das Konzept der Phasentrennung wieder in die Zellbiologie eingeführt und das Konzept der Phasentrennung biologischer Makromoleküle innerhalb von Zellen vorgeschlagen.
Beispiele zur Phasentrennung
Zytoplasmatische Kondensate
Viele im Zytoplasma vorkommende Kondensate wie Lewy-Körperchen, Stressgranula, P-Granulat usw. werden durch Flüssig-Flüssig- oder Flüssig-Fest-Phasentrennung gebildet. Diese Strukturen haben wichtige biologische Funktionen innerhalb von Zellen und ihre morphologischen und dynamischen Eigenschaften erhalten mehr Aufmerksamkeit in der Forschung.
Intranukleare Kondensate
Es wird auch angenommen, dass sich Nukleolen, Kernflecken und andere intranukleäre Strukturen durch Phasentrennungsmechanismen bilden, die denen im Zytoplasma ähneln, was wiederum in die Kategorie der biomolekularen Kondensate fällt.
Die Rolle der Phasentrennung in der Biologie
Die Phasentrennung gilt als Kern der intrazellulären Synergie, und es wurde gezeigt, dass viele biologische Prozesse wie Signaltransduktion, Genexpressionsregulation usw. mit fibrillären Strukturen und Tröpfchenphasentrennung zusammenhängen. Beispielsweise besteht der supramolekulare Komplex im Wnt-Signalweg durch Phasentrennung und Aggregation aus Dsh-Protein und spielt somit eine wichtige Rolle bei der Signalübertragung.
Viele Phasentrennungsprozesse hängen eng mit der Zellgesundheit und Krankheitszuständen zusammen, und die Erforschung von Krankheiten wird zu einer wichtigen Richtung für die zukünftige biomedizinische Forschung.
Synthetische biomolekulare Kondensate
In der synthetischen Biologie haben Wissenschaftler damit begonnen, synthetische biomolekulare Kondensate zu entwickeln, die zur Erforschung der zellulären Organisation und Funktion verwendet werden können. Durch flexibles Design und Steuerung können synthetische Kondensate Reaktivität, Effizienz und Regulierungsfähigkeiten bieten und als Plattformen für die Arzneimittelverabreichung verwendet werden.
Forschungsmethoden
Um ein tieferes Verständnis der dynamischen Eigenschaften dieser biomolekularen Kondensationen und der grundlegenden Funktionsprinzipien von Zellen zu erlangen, nutzen Wissenschaftler eine Vielzahl von Beobachtungs- und Untersuchungstechniken, darunter hochauflösende Mikroskopie, Proteinmarkierung und Bildgebung lebender Zellen Sie verfolgen und manipulieren das Verhalten von Kondensaten und treiben Fortschritte in Biologie und Medizin voran.
Wenn wir unser Verständnis biomolekularer Kondensate vertiefen, können wir möglicherweise in Zukunft ihre Rolle in der Biologie besser erforschen und möglicherweise sogar neue Ideen für die Behandlung verschiedener Krankheiten entwickeln. Welchen Einfluss haben diese mysteriösen Strukturen im flüssigen Zustand auf das Funktionieren des Lebens?
