Πώς η θερμότητα σκοτώνει τα κύτταρα
Πάνω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, ένα κύτταρο θα καταρρεύσει και θα πεθάνει. Μία από τις πιο ξεκάθαρες εξηγήσεις για αυτήν την έλλειψη θερμικής ανθεκτικότητας είναι ότι οι πρωτεΐνες που είναι απαραίτητες για τη ζωή - αυτές που εξάγουν ενέργεια από τα τρόφιμα ή το φως του ήλιου, απομακρύνουν τους εισβολείς, καταστρέφουν τα απόβλητα και ούτω καθεξής - έχουν συχνά όμορφα ακριβή σχήματα. Ξεκινούν ως μακριές λωρίδες, στη συνέχεια διπλώνουν σε έλικες, φουρκέτες και άλλες διαμορφώσεις, όπως υπαγορεύεται από τη σειρά των συστατικών τους. Αυτά τα σχήματα παίζουν τεράστιο ρόλο σε αυτό που κάνουν. Ωστόσο, όταν τα πράγματα αρχίζουν να θερμαίνονται, οι δεσμοί που κρατούν τις πρωτεϊνικές δομές μαζί σπάνε:πρώτα οι πιο αδύναμες και μετά, καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, τόσο ισχυρότεροι. Είναι λογικό ότι μια διάχυτη απώλεια της δομής των πρωτεϊνών θα ήταν θανατηφόρα, αλλά μέχρι πρόσφατα, οι λεπτομέρειες για το πώς ή εάν αυτό σκοτώνει τα υπερθερμασμένα κύτταρα ήταν άγνωστες.
Τώρα, ωστόσο, σε μια πραγματική περιοδεία, οι βιοφυσικοί στο ETH της Ζυρίχης στην Ελβετία εξέτασαν τη συμπεριφορά κάθε πρωτεΐνης σε κύτταρα από τέσσερις διαφορετικούς οργανισμούς καθώς αυξάνεται η θερμότητα. Αυτή η μελέτη και η πλούσια κατάθεση δεδομένων της, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Science , αποκαλύπτουν ότι στη θερμοκρασία στην οποία ένα κύτταρο πεθαίνει — είτε είναι ανθρώπινο κύτταρο είτε από Escherichia coli — μόνο μια χούφτα βασικές πρωτεΐνες καταρρέουν. Επιπλέον, η αφθονία μιας πρωτεΐνης σε ένα κύτταρο φαίνεται να δείχνει μια ενδιαφέρουσα σχέση με τη σταθερότητα της πρωτεΐνης. Οι μελέτες προσφέρουν μια ματιά στους θεμελιώδεις κανόνες που διέπουν τη σειρά και τη διαταραχή των πρωτεϊνών — κανόνες που, όπως συνειδητοποιούν οι ερευνητές, έχουν επιπτώσεις πολύ πέρα από το ερώτημα γιατί η θερμότητα σκοτώνει.
Η Paola Picotti, η βιοφυσικός που ηγήθηκε της μελέτης, εξήγησε ότι τα πειράματα προέκυψαν από ένα παλιό, ακανθώδες ερώτημα:Γιατί μερικά κύτταρα επιβιώνουν σε υψηλές θερμοκρασίες ενώ άλλα πεθαίνουν; Το βακτήριο Thermus thermophilus ζει ευχάριστα σε θερμές πηγές ακόμα και σε οικιακούς θερμοσίφωνες, ενώ η Ε. coli μαραίνεται πάνω από 40 βαθμούς Κελσίου (104 βαθμούς Φαρενάιτ). Ισχυρά στοιχεία υποδηλώνουν ότι εμπλέκονται διαφορές στη σταθερότητα των πρωτεϊνών κάθε οργανισμού. Αλλά η εξέταση της συμπεριφοράς μιας πρωτεΐνης ενώ βρίσκεται ακόμα στο ζωντανό της κύτταρο - ο ιδανικός τρόπος για να την κατανοήσουμε - δεν είναι εύκολο. Και η απομόνωση μιας πρωτεΐνης σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα δίνει μόνο μερικές απαντήσεις, επειδή μέσα στον οργανισμό, οι πρωτεΐνες φωλιάζουν μεταξύ τους, αλλάζοντας η μια τη χημεία της άλλης ή κρατώντας η μια την άλλη στο σωστό σχήμα. Για να καταλάβετε τι καταρρέει και γιατί, πρέπει να εξετάσετε τις πρωτεΐνες ενώ εξακολουθούν να επηρεάζουν η μία την άλλη.
Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, η ομάδα επινόησε μια εκτεταμένη αυτοματοποιημένη ροή εργασίας στην οποία χώρισαν ανοιχτά κύτταρα και θερμάνουν το περιεχόμενό τους σταδιακά, απελευθερώνοντας ένζυμα κοπής πρωτεϊνών στα μείγματα σε κάθε στάδιο. Αυτά τα ένζυμα είναι ιδιαίτερα καλά στο να κόβουν τις πρωτεΐνες που έχουν ξεδιπλωθεί, έτσι οι ερευνητές θα μπορούσαν να καταλάβουν εξετάζοντας τα θραύσματα ποιες πρωτεΐνες διαλύονταν σε κάθε αύξηση της θερμοκρασίας. Με αυτόν τον τρόπο, σχεδίασαν μια καμπύλη ξεδίπλωσης ή μετουσίωσης για καθεμία από τις χιλιάδες πρωτεΐνες που μελέτησαν, δείχνοντας το τόξο του καθώς μετακινούνταν από μια ανέπαφη δομή σε άνετες θερμοκρασίες σε μια μετουσιωμένη κατάσταση καθώς οι μοίρες ανέβαιναν. Για να δουν πώς αυτές οι καμπύλες διέφεραν μεταξύ των ειδών, πραγματοποίησαν τη διαδικασία σε κύτταρα από τέσσερα είδη - τον άνθρωπο, E. coli, Τ. thermophilus και μαγιά. «Αυτή είναι μια όμορφη μελέτη», είπε ο Allan Drummond, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο, δίνοντας έμφαση τόσο στην κλίμακα όσο και στη λεπτότητα της διαδικασίας.
Μία από τις πιο ξεκάθαρες παρατηρήσεις ήταν ότι σε κάθε είδος, οι πρωτεΐνες δεν ξεδιπλώθηκαν μαζικά με ώθηση θερμοκρασίας. Αντίθετα, «είδαμε ότι μόνο ένα μικρό υποσύνολο πρωτεϊνών καταρρέει πολύ νωρίς», είπε ο Picotti, «και αυτές είναι βασικές πρωτεΐνες». Σε ένα δικτυακό διάγραμμα των αλληλεπιδράσεων των πρωτεϊνών, αυτές οι εύθραυστες λίγες είναι συχνά πολύ συνδεδεμένες, πράγμα που σημαίνει ότι επηρεάζουν πολυάριθμες διαδικασίες στο κύτταρο. «Χωρίς αυτά το κύτταρο δεν μπορεί να λειτουργήσει», είπε ο Picotti. «Όταν αυτά εξαφανιστούν, πιθανότατα ολόκληρο το δίκτυο καταρρέει». Και μαζί της, προφανώς, η ζωή του κυττάρου.
Αυτό το παράδοξο - ότι μερικές από τις πιο σημαντικές πρωτεΐνες φαίνονται να είναι οι πιο ευαίσθητες - μπορεί να αντανακλά τον τρόπο με τον οποίο η εξέλιξη τις έχει διαμορφώσει για να κάνουν τη δουλειά τους. Εάν μια πρωτεΐνη έχει πολλούς ρόλους να παίξει, μπορεί να κερδίσει ένα πλεονέκτημα από το να είναι κάπως ασταθής και επιρρεπής σε ξεδίπλωμα και αναδίπλωση, καθώς αυτό θα μπορούσε να της επιτρέψει να λάβει διάφορα σχήματα κατάλληλα για όποιον κι αν είναι ο επόμενος στόχος της. «Πολλές από αυτές τις [βασικές] πρωτεΐνες έχουν υψηλή ευελιξία, γεγονός που τις καθιστά πιο ασταθείς», αλλά μπορεί να τους δώσει την ευελιξία να συνδέονται με μια ποικιλία μορίων-στόχων στο κύτταρο, εξήγησε ο Picotti. «Έτσι μπορούν να εκτελέσουν τη λειτουργία τους, πιθανότατα. … Είναι μια ανταλλαγή."
Κοιτάζοντας πιο προσεκτικά το E. coli , για την οποία είχαν τα πιο καθαρά δεδομένα, οι ερευνητές βρήκαν επίσης μια σχέση μεταξύ της αφθονίας μιας πρωτεΐνης - πόσα αντίγραφά της επιπλέουν γύρω από το κύτταρο - και της σταθερότητάς της. Όσο περισσότερα αντίγραφα έκανε το κύτταρο, ανέφεραν, τόσο περισσότερη θερμότητα χρειαζόταν για να διασπαστεί μια πρωτεΐνη. (Η αφθονία, πρέπει να σημειωθεί, δεν συσχετίζεται απαραίτητα με το ότι είναι απαραίτητη για τη ζωή:ορισμένες σπάνιες πρωτεΐνες είναι ζωτικής σημασίας.) Αυτή η σύνδεση μεταξύ αφθονίας και ανθεκτικότητας υποστηρίζει μια ιδέα που ο Drummond διατύπωσε πριν από μια δεκαετία περίπου, σχετικά με την κυτταρική πρωτεΐνη- κάνει την τάση των μηχανών να κάνει περιστασιακά λάθη. Ένα λάθος συνήθως αποσταθεροποιεί μια πρωτεΐνη. Εάν αυτή η πρωτεΐνη τυχαίνει να είναι μια κοινή πρωτεΐνη, που παράγεται από εκατοντάδες ή χιλιάδες σε ένα κύτταρο καθημερινά, τότε τα λανθασμένα διπλωμένα αντίγραφα που γίνονται σε μεγάλους αριθμούς θα μπορούσαν να φράξουν θανάσιμα το κύτταρο. Θα έπρεπε ένας οργανισμός να εξελίξει εκδόσεις κοινών πρωτεϊνών με ενσωματωμένη επιπλέον σταθερότητα και τα δεδομένα της ομάδας Picotti φαίνεται να αντικατοπτρίζουν αυτό.
Για να διερευνήσουν ποιες ιδιότητες καθιστούν μια πρωτεΐνη σταθερή στη θερμότητα, οι ερευνητές συνέκριναν τα δεδομένα από το E. coli και T. θερμόφιλος. E. coli Οι πρωτεΐνες άρχισαν να καταρρέουν στους 40 βαθμούς Κελσίου και είχαν ως επί το πλείστον αποικοδομηθεί κατά 70 βαθμούς Κελσίου. Αλλά σε αυτή τη θερμοκρασία, ο T. thermophilus Οι πρωτεΐνες μόλις άρχισαν να γίνονται άβολες:Μερικές από αυτές συνέχισαν να διατηρούν το σχήμα τους τουλάχιστον στους 90 βαθμούς Κελσίου. Η ομάδα διαπίστωσε ότι το T. thermophilus Οι πρωτεΐνες έτειναν να είναι πιο κοντές και ορισμένα είδη σχημάτων και συστατικών εμφανίζονταν πιο συχνά στις πιο σταθερές πρωτεΐνες.
Αυτά τα ευρήματα θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους ερευνητές να σχεδιάσουν πρωτεΐνες με σταθερότητες προσεκτικά προσαρμοσμένες στις ανάγκες τους. Σε πολλές βιομηχανικές διεργασίες που περιλαμβάνουν βακτήρια, για παράδειγμα, η αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει την απόδοση — αλλά πριν από πολύ καιρό τα βακτήρια πεθαίνουν από το τραύμα της θερμότητας. Θα είναι ενδιαφέρον να δούμε αν μπορούμε να σταθεροποιήσουμε ένα βακτήριο κάνοντας αυτές τις λίγες πρωτεΐνες που αποσυντίθενται νωρίς πιο ανθεκτικές στη θερμοκρασία, είπε ο Picotti.
Πέρα από όλες αυτές τις παρατηρήσεις, ωστόσο, ο πλούτος των πληροφοριών της ομάδας σχετικά με το πόσο εύκολα ξεδιπλώνεται κάθε πρωτεΐνη έχει ενθουσιάσει μερικούς βιολόγους ιδιαίτερα. Η σταθερότητα μιας πρωτεΐνης είναι ένα άμεσο μέτρο του πόσο πιθανό είναι να σχηματιστούν συσσωματώματα:συστάδες ξεδιπλωμένων πρωτεϊνών που κολλάνε μεταξύ τους. Τα συσσωματώματα, συχνά ένας εφιάλτης για το κύτταρο, μπορούν να παρεμβαίνουν σε βασικές εργασίες. Για παράδειγμα, εμπλέκονται σε ορισμένες σοβαρές νευρολογικές παθήσεις, όπως η νόσος Αλτσχάιμερ, στην οποία πλάκες μετουσιωμένων πρωτεϊνών φουσκώνουν τον εγκέφαλο.
Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι η συσσώρευση συμβαίνει μόνο σε άτομα που πάσχουν από αυτές τις καταστάσεις. Αντίθετα, οι ερευνητές συνειδητοποιούν ότι μπορεί να συμβαίνει συνεχώς, χωρίς εμφανείς στρεσογόνους παράγοντες και ότι ένα υγιές κύτταρο έχει τρόπους να το αντιμετωπίσει. «Νομίζω ότι αυτό αναγνωρίζεται όλο και περισσότερο ως ένα πολύ κοινό φαινόμενο», δήλωσε ο Michele Vendruscolo, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο του Cambridge. «Οι περισσότερες πρωτεΐνες στην πραγματικότητα αναδιπλώνονται λάθος και συσσωματώνονται στο κυτταρικό περιβάλλον. Οι πιο θεμελιώδεις πληροφορίες που ελήφθησαν από τον Picotti αφορούν το κλάσμα του χρόνου κατά το οποίο οποιαδήποτε δεδομένη πρωτεΐνη βρίσκεται στην ξεδιπλωμένη της κατάσταση. Αυτό το κλάσμα καθορίζει τον βαθμό στον οποίο θα συγκεντρωθεί.» Ορισμένες πρωτεΐνες σχεδόν ποτέ δεν ξεδιπλώνονται και συσσωματώνονται, άλλες το κάνουν μόνο σε ορισμένες περιπτώσεις και άλλες το κάνουν συνεχώς. Οι λεπτομερείς πληροφορίες της νέας εφημερίδας θα κάνουν πολύ πιο εύκολο να μελετήσουμε γιατί υπάρχουν αυτές οι διαφορές και τι σημαίνουν, είπε. Ορισμένες από τις καμπύλες μετουσίωσης δείχνουν ακόμη και μοτίβα που υποδηλώνουν ότι οι πρωτεΐνες συσσωρεύονταν μετά την ανάπτυξή τους. «Μπόρεσαν να παρακολουθήσουν και τα δύο βήματα – τόσο το ξεδίπλωμα όσο και τις επακόλουθες συγκεντρώσεις», είπε ο Vendruscolo. "Αυτός είναι ο ενθουσιασμός αυτής της μελέτης."
Ενώ πολλοί επιστήμονες ενδιαφέρονται για τα αδρανή λόγω της ζημιάς που προκαλούν, κάποιοι σκέφτονται το φαινόμενο από άλλη οπτική γωνία. Ο Drummond είπε ότι έχει καταστεί σαφές ότι ορισμένα συσσωματώματα δεν είναι απλώς σκουπίδια που επιπλέουν γύρω από το κελί. Αντίθετα, περιέχουν ενεργές πρωτεΐνες που συνεχίζουν να κάνουν τη δουλειά τους.
Φανταστείτε ότι από μακριά, βλέπετε καπνό να βγαίνει από ένα κτίριο, είπε. Γύρω του υπάρχουν μορφές που τις παίρνεις ως σώματα, που σύρθηκαν από τα συντρίμμια. Αλλά αν πλησιάσετε, μπορεί να διαπιστώσετε ότι στην πραγματικότητα είναι ζωντανοί άνθρωποι, που δραπέτευσαν από το φλεγόμενο κτίριο και περιμένουν να περάσει η έκτακτη ανάγκη. Αυτό συμβαίνει στη μελέτη των αδρανών, είπε ο Drummond:Οι ερευνητές ανακαλύπτουν ότι αντί να είναι θύματα, οι πρωτεΐνες στα συσσωματώματα μπορεί μερικές φορές να είναι επιζώντες. «Στην πραγματικότητα, υπάρχει ένα ολόκληρο πεδίο που τώρα εκρήγνυται», είπε.
Αντί να είναι απλώς ένα σημάδι βλάβης, η συσσώρευση μπορεί να χρησιμεύσει ως ένας τρόπος για τις πρωτεΐνες να διατηρήσουν τη λειτουργία τους όταν τα πράγματα δυσκολεύουν. Θα μπορούσε να τους βοηθήσει στην προστασία τους από το περιβάλλον περιβάλλον, για παράδειγμα. Και όταν οι συνθήκες βελτιωθούν, οι πρωτεΐνες θα μπορούσαν να αφήσουν τα συσσωματώματα και να ξαναδιπλωθούν. "Έχουν ευαίσθητες στη θερμοκρασία αλλαγές [σχήμα] που, αν δεν τις κοιτάξετε πολύ προσεκτικά, μοιάζουν με λάθος αναδίπλωση", είπε ο Drummond. «Αλλά συμβαίνει κάτι άλλο». Σε ένα Κύτταρο του 2015 χαρτί, ο ίδιος και οι συνεργάτες του εντόπισαν 177 πρωτεΐνες ζυμομύκητα που φαίνεται να ανακτούν τη λειτουργία τους αφού συγκεντρώθηκαν σε συσσωματώματα. Σε ένα έγγραφο που εμφανίστηκε τον περασμένο Μάρτιο, η ομάδα του ανακάλυψε ότι η αλλαγή μιας από αυτές τις πρωτεΐνες έτσι ώστε να μην μπορεί να συσσωρευτεί στην πραγματικότητα προκάλεσε σοβαρά προβλήματα για το κύτταρο.
Συνολικά, αυτή η εργασία υποδηλώνει ότι οι πρωτεΐνες είναι περίεργα δυναμικές δομές. Στην αρχή μπορεί να μοιάζουν με άκαμπτες μηχανές, που εργάζονται σε σταθερές εργασίες για τις οποίες τους ταιριάζει ένα συγκεκριμένο σχήμα. Αλλά στην πραγματικότητα, οι πρωτεΐνες μπορεί να μεταμορφωθούν σε πολλές διαφορετικές μορφές κατά τη διάρκεια του κανονικού τους καθήκοντος. Και σε περιόδους ανάγκης, τα σχήματά τους μπορεί να αλλάξουν τόσο ριζικά που να φαίνονται σαν να λήγουν, όταν πραγματικά οχυρώνονται. Σε μοριακό επίπεδο, η ζωή μπορεί να συνίσταται στο να συνενώνεται συνεχώς και να καταρρέει.
