Dugdråber på et edderkoppespind afslører fysikken bag cellestrukturer

Som enhver kok ved, nogle væsker blandes godt med hinanden, men andre gør ikke. For eksempel, når en spiseskefuld eddike hældes i vand, en kort omrøring er tilstrækkelig til at kombinere de to væsker grundigt. Imidlertid, en spiseskefuld olie hældt i vand vil smelte sammen til dråber, som ingen mængde af omrøring kan opløse. Fysikken, der styrer blandingen af ​​væsker, er ikke begrænset til blandeskåle; det påvirker også adfærden af ​​ting inde i celler. Det har været kendt i flere år, at nogle proteiner opfører sig som væsker, og at nogle væskelignende proteiner ikke blandes sammen. Imidlertid, meget lidt er kendt om, hvordan disse væskelignende proteiner opfører sig på cellulære overflader.

"Adskillelsen mellem to væsker, der ikke blandes, som olie og vand, er kendt som 'væske-væske faseadskillelse', og det er centralt for funktionen af ​​mange proteiner, " sagde Sagar Setru, en 2021 Ph.D. kandidat, der arbejdede med både Sabine Petry, professor i molekylærbiologi, og Joshua Shaevitz, en professor i fysik og Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics.

Sådanne proteiner opløses ikke inde i cellen. I stedet, de kondenserer med sig selv eller med et begrænset antal andre proteiner, giver celler mulighed for at opdele visse biokemiske aktiviteter uden at skulle pakke dem ind i membranbundne rum.

"I molekylærbiologi, studiet af proteiner, der danner kondenserede faser med væskelignende egenskaber, er et hurtigt voksende felt, sagde Bernardo Gouveia, en kandidatstuderende kemi og biologisk ingeniør, arbejder med Howard Stone, Donald R. Dixon '69 og Elizabeth W. Dixon professor i maskin- og rumfartsteknik, og formand for afdelingen. Setru og Gouveia samarbejdede som co-first forfattere om et forsøg på bedre at forstå et sådant protein.

"Vi var nysgerrige på opførselen af ​​det væskelignende protein TPX2. Det, der gør dette protein til noget særligt, er, at det ikke danner væskedråber i cytoplasmaet, som det tidligere er blevet observeret, men i stedet ser det ud til at gennemgå faseadskillelse på biologiske polymerer kaldet mikrotubuli, " sagde Setru. "TPX2 er nødvendig for at lave forgrenede netværk af mikrotubuli, som er afgørende for celledeling. TPX2 er også overudtrykt i nogle kræftformer, så forståelse af dens adfærd kan have medicinsk relevans."

Individuelle mikrotubuli er lineære filamenter, der er stavlignende i form. Under celledeling, nye mikrotubuli dannes på siderne af eksisterende for at skabe et forgrenet netværk. De steder, hvor nye mikrotubuli vil vokse, er markeret med kugler af kondenseret TPX2. Disse TPX2-kugler rekrutterer andre proteiner, der er nødvendige for at generere mikrotubuli-vækst.

Forskerne var nysgerrige efter, hvordan TPX2-kugler dannes på en mikrotubuli. At finde ud af, de besluttede at prøve at observere processen i aktion. Først, de modificerede mikrotubulierne og TPX2, så hver af dem ville gløde med en forskellig fluorescerende farve. Næste, de placerede mikrotubulierne på et objektglas, tilføjet TPX2, og så for at se, hvad der ville ske. De lavede også observationer ved meget høj rumlig opløsning ved hjælp af en kraftfuld billedbehandlingsmetode kaldet atomkraftmikroskopi.

"Vi fandt ud af, at TPX2 først dækker hele mikrotubuli og derefter bryder op i dråber, der er jævnt fordelt fra hinanden, svarende til hvordan morgendug dækker et edderkoppespind og bryder op i dråber, sagde Gouveia.

Setru, Gouveia og kolleger fandt ud af, at dette opstår på grund af noget, fysikere kalder Rayleigh-Plateau-ustabiliteten. Selvom ikke-fysikere måske ikke genkender navnet, de vil allerede være bekendt med fænomenet, som forklarer, hvorfor en vandstrøm, der falder fra en vandhane, bryder op i dråber, og hvorfor en ensartet belægning af vand på en streng af edderkoppespind smelter sammen til separate perler.

"Det er overraskende at finde sådan hverdagsfysik i molekylærbiologiens verden på nanoskala, sagde Gouveia.

forlænge deres studie, forskerne fandt ud af, at afstanden og størrelsen af ​​TPX2-kugler på en mikrotubuli bestemmes af tykkelsen af ​​den indledende TPX2-belægning - dvs. hvor meget TPX2 er til stede. Dette kan forklare, hvorfor mikrotubuli-forgrening ændres i kræftceller, der overudtrykker TPX2.

"Vi brugte simuleringer til at vise, at disse dråber er en mere effektiv måde at lave grene på end blot at have en ensartet belægning eller binding af proteinet langs hele mikrotubuli, sagde Setru.

"At dråbedannelsens fysik, så tydeligt synligt for det blotte øje, har en rolle at spille på mikrometerskalaen, hjælper med at etablere den voksende grænseflade (ingen ordspil) mellem blødt stofs fysik og biologi, " sagde Rohit Pappu, Edwin H. Murty professor i ingeniørvidenskab ved Washington University i St. Louis, som ikke var involveret i undersøgelsen.

"Den underliggende teori vil sandsynligvis være anvendelig på et udvalg af grænseflader mellem væskelignende kondensater og cellulære overflader, " tilføjer Pappu. "Jeg formoder, at vi vil vende tilbage til dette arbejde igen og igen."