Celler er det fundamentale byggemateriale for alt liv på Jorden. Men vores celler er også noget af det mest sårbare, og de kan nemt holde op med at fungere eller ligefrem dø – især hvis de ikke er i organismer som mennesker, planter eller dyr.

Derfor er der mange, der siden 1957 har prøvet at lave kunstige celler eller dele af celler, som kan gøres mere robuste og derfor fungere bedre uden for en organisme.

Mere end 50 procent af alle de lægemidler, som kom på markedet mellem 1981 og 2010, blev hentet fra naturen. Det til trods for at det meste af medicinen bare var antibiotika. Nu flytter fokus inden for medicin sig mod andre målgrupper, som ikke er proteiner: DNA, RNA og andre stoffer inde i cellerne.

På grund af det er det sandsynligt, at en endnu større del af lægemidlerne vil blive hentet direkte fra naturen. Det er en naturlig udvikling i produktionen af ny, bæredygtig medicin, fordi cellens kerne indeholder alle de biologiske mekanismer, deriblandt nøglen til de rigtige aktive stoffer.

Hvis det skal ske, er det vigtigt, at vi bliver bedre til at forstå de biologiske mekanismer, hvordan de fungerer, og hvorfor de kun virker inde i en celle.

Biologiske mekanismer diskuteres sjældent

Biologiske mekanismer eller metoder i sig selv bliver meget sjældent diskuteret i videnskabelig litteratur. Ordet 'mekanismer' er derimod brugt overalt. Nogle forskere mener, at biologiske mekanismer er hændelser eller aktiviteter, der er organiseret sådan, at de regulerer og styrer alle forandringer inde i en celle fra start til slut.

Biologiske mekanismer er derfor al den aktivitet, regulering og organisering, der skal til, for at liv og vækst kan finde sted i celler, bakterier, parasitter, mikrodyr og andre organismer.

Det betyder, at det enorme antal biologisk aktive molekyler i en levende celle eller i partikler, er en forudsætning for liv og vækst.

Den livsvigtige skal

Membraner, som omgiver biologiske partikler eller celler, er grundlaget for al biologisk aktivitet. Uden en membran ville DNA eller RNA være uden værdi for biologiske mekanismer eller aktiviteter. RNA er det, som bruges til at omdanne DNA-information til alle de aktive molekyler i celler. Uden DNA eller RNA er der ingen biologisk aktivitet.

Membranen sikrer et miljø, som er rent nok, til at DNA-informationen bliver til biologisk eller biokemisk aktivitet. Alt, som sker i stofskiftet eller i dine celler, er derfor afhængigt af et fuldstændigt rent, korrekt og kontrolleret miljø inde i cellen.

Membranen sikrer også en optimal separation, sortering og koncentration af alle de ioner, uorganiske og organiske forbindelser, som er helt nødvendige for, at DNA og RNA kan bliver brugt til at producere de stoffer, der er helt nødvendige for biologisk aktivitet.

Det skal være 'helt rent' i en celle

Alle os forskere, der prøver at skabe en række molekylærbiologiske reaktioner udenfor en celle eller en bakterie i et laboratorie, ved, at det stiller ekstremt høje krav til rengøring. Hvis der ikke er helt rent, er det ikke muligt at gennemføre vellykkede biologiske eksperimenter ved hjælp af biologiske mekanismer eller metoder i et laboratorie.

Sådan er det også inde i celler eller biologiske partikler. Hvis der ikke er fuldstændig kontrol med de biologiske mekanismer inde i en celle, bliver der ikke dannet biologisk aktive molekyler. Nogle mikroorganismer laver hele tiden et stof, vi kalder enzymer, som de bruger til at beskytte sig selv eller angribe andre biologiske partikler.

Disse enzymer findes overalt i naturen og på næsten alle overflader. Mange af enzymerne er svære at fjerne med rengøring. Det er, fordi en kultur, eller et samfund, af flere mikroorganismer er meget modstandsdygtige mod forskellige typer behandling.

Disse enzymer har den egenskab, at de hurtigt fjerner frit RNA, DNA eller proteiner, som ikke er beskyttet.

Beskytter sig selv

Samtidig er det vigtigt, at væsken inde i cellerne har de rigtige mikrovæskeegenskaber, så alle rensede stoffer, som kommer ind i cellen, bliver defineret indenfor nogle givne rammer og bliver transporteret på en sikker måde uden unødvendig diffusion. Diffusion betyder, at ingen stoffer blander sig inde i cellen, uden at det er styret af hele cellens interne organisering ned til mindste detalje.

Denne styring og beskyttelse er selve hovedpointen med al biologisk aktivitet.

Beskyttelsen er skabt af de mange hyperavancerede membraner og organeller, som er det, der omgiver biologiske partikler eller celler. Men endnu vigtigere er det, at selve væskemiljøet har det rigtige tryk og de rigtige egenskaber til at regulere og beskytte alle biologiske reaktioner fra egen urenhed og unødvendige reaktioner.

Uden den beskyttelse ville ikke-biologiske celler kunne gennemføre avancerede mekanismer inklusiv omsætning af enzymer, RNA eller proteiner.

Uden et rent og korrekt miljø i cellen ville forureningen, og det forkerte miljø, forstyrre eller helt forhindre en række meget komplicerede reaktioner, som er involveret i at lave nanomotorer, nanoreaktorer, enorme makromolekyler, meget små regulatorer, ioner og en kaskade af enzymer. En nanomotor producerer for eksempel en type mikroenergi, som bruges til at lave DNA og RNA og gøre dem biologisk aktive.

Selve degraderingen af RNA, som er nødt til at foregå hele tiden for at regulere produktionen af proteiner, er nødt til at ske både i cellens kerne og i cytoplasma. Denne degradering er koblet til mRNA eller transkription. Transkription beskriver processen, hvor information bliver overført fra DNA til RNA-molekylet.

Det er ekstremt omfattende reaktioner, som kræver totalt rene forhold, korrekt transport, korrekt diffusion, og som inkluderer opstart, nedetid, deling, splejsning, slutbehandling og eksport.

Derfor opfører væsken inde i cellerne sig som ultrarent vand, selv om de indeholder et stort antal store molekyler. Manglende behandling af molekylerne inde i cellen på grund af de fysiske betingelser i en mikroverden under 10 mikrometer (0,01 millimeter) gør, at helt rene forbindelser kun kommer i kontakt med hinanden gennem diffusion, og når de skal reagere med andre stoffer inde i cellen.

De ioner, kemiske stoffer eller makromolekyler, som kommer færdigtrensede gennem cellemembranen ind i cellen, forbliver rene, isolerede og aktive på grund af egenskaberne i det unikke vandige miljø i cellerne.

Alt skal være korrekt, før cellerne fungerer

Det unikke ved biologiske mekanismer er netop, at de ofte er meget komplekse og omfatter en kaskade af forskellige reaktioner. Biologiske mekanismer finder næsten altid sted inde i en organisme eller biologisk celle, fordi miljøet derinde sørger for rene forbindelser og de rigtige diffusionsreaktioner. 

Biologiske mekanismer er altid forbundet med biologisk aktivitet, og de er afhængige af bestemte koncentrationer af helt rene organiske eller uorganiske stoffer.

Et urent stof til altid ødelægge eller hindre en biologisk mekanisme. Hvis et intelligent menneske skal kunne udføre en biologisk reaktion uden for en celle eller en organisme, er renheden derfor et ufravigeligt krav.

Forskere, der prøver at gennemføre biologiske reaktioner med urent eller urene stoffer, vil ikke have held med det. Kravene til de stoffer, der bliver leveret til molekylærbiologiske test, er derfor ekstremt høje.

Et selvregulerende miljø inde i en celle, som ikke styres direkte af noget intelligent, og som er grundlaget for de fleste aktive biologiske mekanismer, er derfor nødt til at stille endnu højere krav til autonomi. 

De har brug for det rigtige tryk, korrekt diffusion, rigtig koncentration og ikke mindst det rette renhed, for at de kan lave funktionelle biologiske molekyler. 

©Forskning.no. Oversat af Sanni Jensen.