Påvisning af fortyndhed:Nye eksperimentelle og teoretiske tilgange dykker ned i puljen af ​​membranorganeller

Inde i hver eneste levende celle, der er minimale strukturer kaldet membranløse organeller. Disse små kraftværker bruger kemi til at signalere en celles indre funktion – bevægelse, splittelse og endda selvdestruktion.

Et samarbejde mellem ingeniører ved Princeton University og Washington University i St. Louis har udviklet en ny måde at observere den indre funktion og materielle struktur af disse livsvigtige organeller. Forskningen, offentliggjort i dag i Naturkemi , kan føre til en lang række nye videnskabelige anvendelser, samt en bedre forståelse af sygdomme som kræft, Huntingtons og ALS.

"De er som små dråber vand:De flyder, de har alle en væskes egenskaber, ligner regndråber, " sagde Rohit Pappu, Edwin H. Murty professor i ingeniørvidenskab ved Washington University's School of Engineering &Applied Science. "Imidlertid, disse dråber består af protein, der kommer sammen med RNA (ribonuklein) molekyler."

I fortiden, Det har vist sig svært at kigge ind i organeller, på grund af deres lille størrelse. Clifford Brangwynne, lektor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab ved Princeton's School of Engineering and Applied Science, og hans samarbejdspartnere, udviklet en ny teknik - kaldet ultrahurtig scanning fluorescens-korrelationsspektroskopi eller usFCS - for at få en tæt vurdering af koncentrationerne i og undersøge porøsiteten af ​​faksimiler af membranløse organeller. Metoden bruger lydbølger til at kontrollere et mikroskops evne til at bevæge sig og derefter opnå kalibreringsfrie målinger af koncentrationer inde i membranløse organeller.

I deres forskning, Brangwynne og hans team, herunder postdoktorale forskere Ming-Tzo Wei og Shana Elbaum-Garfinkle, brugte celler taget fra en rundorm. Med usFCS, de var i stand til at måle proteinkoncentrationer inde i organeller dannet af det specifikke protein, LAF-1. Dette protein er ansvarlig for at producere p-granulat, som er proteinsamlinger, der er ansvarlige for polarisering af en celle før deling. Da Princeton-forskerne var i stand til tydeligt at kigge ind i organellerne og se LAF-1, hvad de fandt overraskede dem.

"Vi fandt ud af, at i stedet for at være tætpakkede dråber, disse har meget lav tæthed, permeable strukturer, " sagde Brangwynne. "Det var ikke det forventede resultat."

Det var da Washington Universitys Pappu og hans kandidatforsker Alex Holehouse forsøgte at forstå de overraskende resultater fra Princeton-gruppen. Pappus laboratorium har specialiseret sig i polymerfysik og modellering af membranløse organeller.

"Vi var i princippet i stand til at svømme inde i organellerne for at bestemme, hvor meget plads der faktisk er til rådighed. Mens vi forventede at se en overfyldt swimmingpool, vi fandt en med masser af plads, og vand. Vi begynder at indse, at disse dråber ikke alle vil være ens, " sagde Pappu.

I tilfældet med LAF-1-organellerne, forskerne fandt, at dannelsen af ​​ultra-fortyndede dråber stammer fra information kodet i de iboende uordnede områder af disse proteinsekvenser. Funktionerne i den sekvens sikrer, at dette protein er et meget diskret molekyle, mere som kogt spaghetti, mangler evnen til at folde sig ind i en bestemt, veldefineret struktur. I modsætning, i andre organeller dannet af forskellige proteiner, materialeegenskaberne minder mere om tandpasta eller ketchup. Brangwynne og Pappu fortsætter med at samarbejde for at finde ud af, hvordan forskellige proteinsekvenser koder for evnen til at danne dråber med meget forskellige materialeegenskaber. Dette arbejde har direkte implikationer for forståelsen af ​​biologiske funktioner af membranløse organeller og for at forstå, hvordan ændringer i disse materialeegenskaber giver anledning til sygdomme som neurodegeneration eller cancer.

"Der er en eksplosion af tekniske applikationer og transformationer til mekanistisk cellebiologi, der er i horisonten. Disse fremskridt vil være tilgængelige, efterhånden som vi lærer mere om grundlaget for disse organeller, og hvordan deres aminosyresekvens bestemmer materialets egenskaber og funktion, " sagde Pappu. "Disse organeller gør bemærkelsesværdige ting inde i celler, og et rigtig godt spørgsmål er:Hvordan kan vi efterligne dem?"

Pappu siger en dag, forskere kunne hacke organellers designprincipper for at skabe alt fra intracellulære kemi-laboratorier til små lægemiddelleveringsmidler og billeddannelsesmidler. Ud over de praktiske anvendelser, der er også potentielle implikationer for at forstå og diagnosticere en lang række sygdomme.

"Det er vigtigt at kunne forstå, hvordan man kan regulere funktionerne af disse dråber, " sagde Pappu. "Hvis det lykkes, virkningen kan være transformerende:Det er ikke kun kræft, det er neurodegeneration, om udviklingsforstyrrelser, og endda det grundlæggende i cellebiologi."