Optimalitet i selvorganiseret molekylær sortering

Den eukaryote celle er grundenheden for dyr og planter. Gennem mikroskopet, det ser meget struktureret og underopdelt ud i mange membranbundne rum. Hvert rum har en specifik funktion, og dens membran er befolket af specifikke molekyler. Hvordan bevarer cellen denne fantastiske indre orden, og (i mangel af patologier) ikke nedbrydes til en formløs flok molekyler? En sådan nedbrydning modvirkes af en kontinuerlig proces med molekylær sortering, hvorved lignende molekyler indsamles og sendes til de 'rigtige' destinationer, på samme måde som hvad der sker, når et hus holdes rent og ryddeligt af daglige gøremål. Det er stadig mystisk, imidlertid, hvordan en levende celle kan udføre denne opgave uden at en vejleder leder den.

I en nylig Fysisk gennemgangsbreve papir, et samarbejde mellem forskere fra Politecnico di Torino, Università di Torino, Italiensk Institut for Genomisk Medicin - IIGM, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare - INFN, og Landau Institute for Theoretical Physics (Moskva), antager, at denne proces med molekylær sortering stammer fra kombinationen af ​​to spontane mekanismer. Den første mekanisme er tilbøjeligheden af ​​lignende molekyler til at aggregere på membraner i form af 'patches, 'eller' dråber, 'på samme måde som der dannes vanddråber i en dampsky, der afkøles. Den anden mekanisme er sådanne dråbers tendens til at bøje membranen, hvilket fører til dannelse og yderligere frigørelse af små vesikler beriget med molekylkomponenterne i de originale dråber. De forskellige membranrum i den eukaryote celle virker således på samme måde som beholderne og rørene i en naturlig destilleri, eller alembisk, der kontinuerligt sorterer og omdirigerer molekylære komponenter til de relevante destinationer.

I det publicerede værk, denne proces med molekylær sortering studeres med matematiske værktøjer og computersimuleringer, viser, at tilbøjelighed til aggregering er procesens hovedkontrolparameter. For hver gruppe af molekyler findes der en optimal værdi af denne parameter (hverken for stor, heller ikke for lille), sådan at sorteringsprocessen finder sted med den maksimalt mulige hastighed. Rent faktisk, en vis tilbøjelighed til molekylær aggregering er nødvendig for at drive processen, men når tilbøjeligheden til aggregering er for stor, molekylerne 'fryser' i et stort antal små dråber, der vokser meget langsomt, og den samlede sorteringsproces går langsommere. Eksperimentelle observationer af denne destillationsproces i celler isoleret fra blodkarrene i menneskelige navlestreng bekræfter dette teoretiske billede, og foreslå, at evolution kan have fået cellerne til at arbejde i den optimale parameterregion, hvor sorteringsprocessen opnår maksimal effektivitet.

Disse fund er af særlig interesse, da fejlregulering af molekylær sortering er et kendetegn for alvorlige patologier, såsom kræft. Den teoretiske identifikation af de parametre, der styrer processen, er et vigtigt første skridt mod en bedre forståelse af oprindelsen til sådanne forstyrrelser og udviklingen af ​​terapier.