اندامک‌های سرکش درون سلول‌ها می‌توانند کلید کشف منشاء حیات باشند

اگر به کلاس زیست‌شناسی دوران دبیرستان فکر کنید، احتمالاً به یاد دارید که با اندامک‌ها یا ارگانل‌ها آشنا شده‌اید؛ همان اندامک‌های کوچک درون سلول‌ها که محفظه‌ای با عملکردهای خاص تشکیل می‌دهند. برای مثال، میتوکندری انرژی تولید می‌کند، لیزوزوم‌ها، ضایعات را بازیافت می‌کنند و هسته نیز دی‌ان‌ای را ذخیره می‌کند. اگرچه هر اندامک دارای کارکردی ویژه است، در یک ویژگی با هم اشتراک دارند: همگی در غشا پیچیده شده‌اند.

تا دهه ۲۰۰۰، اندامک‌های غشادار در کتاب‌های درسی، معیار و الگوی سازمان‌دهی سلول‌ها بودند تا آنکه دانشمندان متوجه شدند برخی اندامک‌ها اصلاً نیازی به غشا ندارند. از آن زمان، پژوهشگران مجموعه‌ای از اندامک‌های بدون غشا را شناسایی کردند و این کشف، دیدگاه زیست‌شناسان را درمورد شیمی و منشأ حیات، به شکل چشمگیر تغییر داد.

الن البیگ، دانشیار علوم زیستی در دانشگاه ایالتی بویزی در آیداهو آمریکا، در وب‌سایت کانورسیشن می‌نویسد: «من برای اولین بار حدود دو سال پیش با اندامک‌های بدون غشا که در علم با نام رسمی چگالش‌های بیومولکولی شناخته می‌شوند، آشنا شدم. یکی از دانشجویانم لکه‌هایی غیرعادی را در هسته‌ی سلول مشاهده کرده بود. آنچه در نهایت در لکه‌ها دیدم، دریچه‌ای تازه را به دنیای زیست‌شناسی سلولی به رویم گشود.»

برای اینکه بتوانید چگالش‌های بیومولکولی را تصور کنید، لامپ لاوا را به یاد بیاورید: قطرات موم درون آن به هم می‌پیوندند، جدا می‌شوند و دوباره به هم می‌پیوندند. چگالش‌های بیومولکولی نیز تقریباً به همین شکل تشکیل می‌شوند، با این تفاوت که از جنس موم نیستند، بلکه خوشه‌ای از پروتئین‌ها و مواد ژنتیکی، به‌ویژه مولکول‌های آر‌ان‌ای، در سلول به قطرات ژل‌مانندی متراکم می‌شوند.

برخی پروتئین‌ها و آر‌ان‌ای‌ها، این رفتار را به دلیل تمایل به تعامل با یکدیگر نشان می‌دهند، دقیقاً مانند قطرات موم که با هم ترکیب می‌شوند، اما با مایع اطراف خود مخلوط نمی‌شوند. این چگالش‌ها، محیطی میکروسکوپی و جدید را به وجود می‌آورند که پروتئین‌ها و آر‌ان‌ای‌های بیشتری را جذب کرده و درون سلول، محفظه‌ای منحصربه‌فرد شکل می‌دهند.

تا سال ۲۰۲۲، پژوهشگران حدود ۳۰ نوع از چگالش‌های بیومولکولی بدون غشا را کشف کردند؛ درحالی‌که فقط حدود دوازده اندامک سنتی دارای غشا شناسایی شده است.

اندامک‌های بدون غشا ممکن است نسبت به همتایان غشادار خود، عملکرد بیشتر و متنوع‌تری داشته باشند. شناخت عملکردهای تازه، اساساً دیدگاه دانشمندان را نسبت به نحوه‌ی عملکرد سلول‌ها دگرگون کرده است.

چگالش‌های بیومولکولی، برخی باورهای قدیمی را درباره‌ی شیمی پروتئین‌ها به چالش کشیده‌اند. از دهه ۱۹۵۰ و مشاهده‌ی ساختار پروتئین میوگلوبین برای اولین بار، روشن شد که ساختار این پروتئین برای انتقال اکسیژن در عضلات ضروری است. از آن زمان، شعار بیوشیمی‌دان‌ها این بوده که «ساختار پروتئین برابر است با عملکرد آن». به بیان ساده‌تر، پروتئین‌ها باید شکل خاصی داشته باشند تا بتوانند وظایف خود را به درستی انجام دهند.

اما پروتئین‌هایی که چگالش‌های بیومولکولی تشکیل می‌دهند، تا حدودی این قاعده را نقض می‌کنند؛ چرا که بخشی از آن‌ها نامنظم و بدون شکل معینی هستند. زمانی که پژوهشگران در اوایل دهه ۱۹۸۰ این «پروتئین‌های ذاتاً بی‌شکل» یا به اختصار آی‌دی‌پی‌ها را کشف کردند، حیرت‌زده شدند که چگونه این پروتئین‌ها می‌توانند بدون داشتن ساختاری منظم، عملکرد خاصی را انجام دهند.

بعدها مشخص شد که آی‌دی‌پی‌ها، به تشکیل چگالش‌ها گرایش دارند. همان‌طور که معمولاً در علم پیش می‌آید، این کشف یکی از معماهای نقش پروتئین‌های ساختارنیافته را در سلول حل کرد، اما در عین حال، پرسش عمیق‌تری را درباره‌ی ماهیت واقعی چگالش‌های بیومولکولی برانگیخت.

پژوهشگران همچنین چگالش‌های بیومولکولی را در سلول‌های پروکاریوتی یا باکتریایی شناسایی کرده‌اند که پیش‌تر به‌عنوان سلول‌های بدون اندامک شناخته می‌شدند. این کشف می‌تواند دیدگاه دانشمندان درباره‌ی زیست‌شناسی سلول‌های پروکاریوتی را به شکلی اساسی دگرگون کند.

در مقایسه با ۳۰ تا ۴۰ درصد از پروتئین‌های یوکاریوتی یا غیرباکتریایی، فقط حدود شش درصد از پروتئین‌های باکتریایی از بخش‌های نامنظم و بدون ساختار برخوردار هستند. با این حال، دانشمندان چندین نوع از چگالش‌های بیومولکولی را در سلول‌های پروکاریوتی یافته‌اند که در عملکردهای مختلف سلولی، مانند ساخت و تجزیه آر‌ان‌ای‌ها، نقش دارند.

وجود چگالش‌های بیومولکولی در سلول‌های باکتریایی، نشان می‌دهد که این میکروب‌ها برخلاف تصورات پیشین، کیسه‌های ساده‌ی پروتئین و اسیدهای نوکلئیک نیستند و در حقیقت، ساختاری پیچیده‌تر از تصورات دارند.

چگالش‌های بیومولکولی، همچنین فرضیات دانشمندان درباره‌ی منشأ حیات روی زمین را نیز تغییر داده‌اند. شواهد فراوانی وجود دارد که نشان می‌دهد نوکلئوتیدها، اجزای سازنده‌ی آر‌ان‌ای و دی‌ان‌ای، می‌توانند از مواد شیمیایی رایجی مانند هیدروژن سیانید و آب، با کمک منابع انرژی معمول مانند نور فرابنفش یا دمای بالا و بر سطح مواد معدنی مانند سیلیکا و رس آهن، ساخته شوند.

پرسشی اساسی که در این میان مطرح می‌شود، این است که چگونه مولکول‌های آر‌ان‌ای توانستند برای تکثیر و سازماندهی خود به شکل پیش‌سلول یا پروتوسل، سازوکارهایی را تکامل دهند. از آنجایی که تمام اشکال حیات شناخته‌شده در غشا قرار دارند، پژوهشگران معتقد بودند آر‌ان‌ای‌ها نیز باید در غشا محصور شوند. این امر نیازمند سنتز لیپیدها یا چربی‌هایی است که غشاها را تشکیل می‌دهند. اما احتمالاً مواد لازم برای ساخت لیپیدها در زمین اولیه وجود نداشت.

اکنون با کشف اینکه آر‌ان‌ای‌ها می‌توانند به شکل خودجوش چگالش‌های بیومولکولی را تشکیل دهند، برای تشکیل پیش‌سلول‌ها، به لیپید نیازی نخواهد بود. اگر آر‌ان‌ای‌ها می‌توانستند به تنهایی به چگالش‌های بیومولکولی تبدیل شوند، این احتمال بیشتر می‌شود که مولکول‌های زنده از مواد شیمیایی بی‌جان در زمین به وجود آمده باشند.

الن البیگ می‌گوید برای او و دیگر دانشمندانی که چگالش‌های بیومولکولی را مطالعه می‌کنند، هیجان‌انگیز است که چگونه این ساختارهای شگفت‌آور، دیدگاه دانشمندان را درباره‌ی دنیای زیست‌شناسی تغییر خواهند داد. چگالش‌های بیومولکولی پیش از این، دیدگاه دانشمندان را نسبت به بیماری‌هایی مانند آلزایمر، هانتینگتون و بیماری لوگریگ (اسکلروز جانبی آمیوتروفیک یا ای‌ال‌اس) دگرگون کرده‌اند.

در همین راستا، پژوهشگران در حال ابداع روش‌های تازه‌ای برای کنترل چگالش‌ها با اهداف درمانی هستند؛ از جمله ساخت داروهایی که می‌توانند چگالش‌ها را ترویج دهند یا آن‌ها را حل کنند. اینکه آیا این رویکرد نوین در درمان بیماری‌ها نتیجه‌بخش خواهد بود یا خیر، هنوز نامشخص است.

در بلندمدت، تعجبی ندارد اگر در نهایت کارکردی ویژه به چگالش‌های بیومولکولی نسبت داده شود. در آن صورت، می‌توان شرط بست که دانش‌آموزان دبیرستانی در کلاس زیست‌شناسی، مطالب بیشتری را برای یادگیری و یا شاید شکایت، در دست خواهند داشت.