רוב המחקרים בכימיה ביולוגית התמקדו היסטורית בגלגלי השיניים הברורים של המכונות ששומרות על תנועת החיים. קיפול חלבונים, פעילות גנטית ומסלולי איתות חשמליים הם המטרות הקלות ביותר למציאת אי סדרים המובילים למחלות.
אולם מחקרים אחרונים הצביעו על סוג אחר של מבנה תאי שעשוי למלא תפקיד חשוב לא פחות. מבנים אלה, הנקראים קונדנסטים ביולוגיים, קיימים בגלל הבדלים בצפיפות, כמו טיפות שמן צפות במים, ויוצרים תאים בתוך תאים מבלי להזדקק לגבול הפיזי של הממברנה.
מחקרים קודמים הראו שהכתמים הללו יכולים להפריד או ללכוד חלבונים ומולקולות מסוימות, בין אם להפריע או לקדם את פעילותם. הם גם חשפו שמבנים אלה מספקים מקור אנרגיה חלופי שעשוי להניע כמה היבטים של כימיה ביולוגית.
תוצאות אלו, לעומת זאת, התמקדו בהשפעות שנוצרו בסביבה הקרובה של הקונדנסטים עצמם. חוקרים עדיין לא זיהו דרכים שבהן הם עשויים להשפיע על הביוכימיה הרחק מהמבנים הפיזיים שלהם.
כעת, במחקר חדש שפורסם ב-10 בספטמבר בכתב העת תָאחוקרים מאוניברסיטת דיוק ומאוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס הראו שהיווצרות קונדנסטים ביולוגיים משפיעה על הפעילות התאית הרבה מעבר לסביבתם הקרובה. התוצאות מראות שהן עשויות להיות מנגנון שחסר בעבר שבאמצעותו תאים מווסתים את האלקטרוכימיה הפנימית שלהם. והבקרות הפנימיות הללו, בתורן, משפיעות על הממברנה התאית, מה שמאפשר לכתמים הצנועים הללו להשפיע על תכונות ותוצאות גלובליות כמו עמידות לאנטיביוטיקה.
המחקר שלנו מראה שהקונדנסטים משפיעים על תאים הרבה מעבר למגע פיזי ישיר, כמעט כמו שיש להם חיבור אלחוטי לאופן שבו תאים מתקשרים עם הסביבה. מעבר להדגמת המנגנונים החשמליים מאחורי הקשר הזה, הוכחנו שיצירת עיבוי יכולה להפוך את התאים לסובלניים יותר לסוגים מסוימים של אנטיביוטיקה ולרגישים יותר לאחרים".
לינגצ'ונג יו, הפרופסור המובהק של ג'יימס ל. מריאם להנדסה ביו-רפואית ב-Duke
"זה כנראה רק קצה הקרחון", הוסיף אשוטוש צ'ילקוטי, הפרופסור המובהק להנדסה ביו-רפואית של אלן ל. קגנוב ב-Duke. "אנו מצפים שהשפעות פוטנציאל חשמלי אלו מתבטאות במגוון רחב של דרכים באמצעות התנהגויות סלולריות."
קונדנסטים פועלים כמו ספוג, סופגים חלבונים שונים, אנזימים, יונים וביו-מולקולות אחרות כאשר הם נוצרים, תוך אי הכללה של אחרים. ואם הם לוכדים מספיק יונים בתא שלהם כדי להפוך למטען חיובי או שלילי, חוסר האיזון הזה חייב לבוא לידי ביטוי בסביבה התאית שסביבם.
פעילות אלקטרוסטטית זו מספקת ידית ליצירת קונדנסטים ביולוגיים כדי להשפיע על הפוטנציאל החשמלי של הממברנה התאית והסביבה האלקטרוכימית בתוך התא. ומכיוון שגורמים סביבתיים אלה חיוניים לתהליכים ביולוגיים רבים, זה מספק מנגנון לכתמים חסרי יושרה אלה להשפיע ישירות על האופן שבו תאים מתקשרים עם העולם הסובב אותם.
"אפילו מספר זעיר מהעיבוי הללו המופצים במרוכז הרחק מקרום התא יכול ליצור תגובת שרשרת שיכולה לשנות את המאפיין הגלובלי הזה", הסביר יפן דאי, עוזר פרופסור להנדסה ביו-רפואית וחבר במרכז לעיבוי ביו-מולקולרי בוושינגטון. אוניברסיטת בסנט לואיס, שביצע את המחקר כחוקר פוסט-דוקטורט ב-Duke. "המאמר הזה מראה שאין מנוס מההשפעות האלה. כל עוד הכתמים הזעירים האלה נוצרים, דברים רבים מושפעים, אפילו ויסות גנים בקנה מידה עולמי. כשראיתי את זה, זה היה די מזעזע עבורי".
כדי להוכיח נקודה זו, החוקרים עבדו כדי להראות שתופעה זו יכולה להשפיע על האופן שבו חיידקים שורדים אינטראקציות עם אנטיביוטיקה מסויימת. החוקרים גרמו למושבות של E. coli חיידקים ליצור קונדנסטים פנימיים או על ידי הלחצתם בדיוק בצורה הנכונה או על ידי מניפולציה של ביטוי הגנים של החלבונים היוצרים עיבוי. לאחר מכן הם בדקו את המטען החשמלי שנוצר בממברנות התא שלהם וחשפו אותם לאנטיביוטיקה.
התוצאות הראו שהיווצרות קונדנסט גרמה לכמה ממברנות תא להיות מטען שלילי יותר, מה שהשפיע ישירות על האם התאים הגיבו לאנטיביוטיקה או לא, שכן הם גם חלקיקים טעונים. אבל זו רק ההתחלה של קו המחקר הזה, אומרים החוקרים, שכן תהליכים ביוכימיים רבים תלויים בפוטנציאל החשמלי המוחזק בתוך הממברנה התאית.
"העבודה שלנו חושפת תפקיד של קונדנסטים בוויסות הפיזיולוגיה התאית העולמית," אמרת. "למרות שעדיין אין לנו הבנה מכניסטית קונקרטית של האופן שבו תאים פורסים את הפעילות הזו כדי לווסת את הפונקציונליות שלהם, זו תגלית גדולה שזה קורה בכלל."
עבודה זו נתמכה על ידי משרד חיל האוויר למחקר מדעי (FA9550-20-1-0241) והמכונים הלאומיים לבריאות (R35-GM127042).
