Syntetisk organel viser, hvordan bittesmå vandpytter-organer i vores celler fungerer

Et par sukkerarter, et strejf af enzymer, en knivspids salt, et stænk polyethylenglycol, omhyggeligt arrangeret i vandige bade. Og forskere havde lavet en syntetisk organel, som de brugte i en ny undersøgelse til at udforske noget ulige cellulær biokemi.

Forskerne ved Georgia Institute of Technology lavede den kemiske blanding i laboratoriet for tæt at efterligne membranløse organeller, miniorganer i celler, der ikke er indeholdt i en membran, men eksisterer som puljer af vandige opløsninger. Og deres model viste hvordan, med kun få ingredienser, organellerne kunne udføre finjusterede biologiske processer.

Forskerne offentliggjorde resultaterne af deres undersøgelse i tidsskriftet ACS -anvendte materialer og grænseflader for den 26. september 2018 udgave. Forskningen blev finansieret af National Institutes of Health's National Institute of General Medical Science og af National Science Foundation.

Et hurtigt kig på membranløse organeller bør hjælpe med at forstå forskningens betydning.

Hvad er membranløse organeller?

Opdagelsen af ​​organeller, der er puljer af vandige opløsninger og ikke genstande med membraner, er ret nylig. Et godt eksempel er nukleolus. Den ligger inde i cellens kerne, som er en organel, der har en membran.

I fortiden, forskere troede, at nukleolus forsvandt under celledeling og dukkede op igen senere. I mellemtiden, forskere har indset, at nucleolus ikke har nogen membran, og at den under celledeling bliver spredt, som vandbobler gør i vinaigrette -dressing, der er rystet op.

"Efter celledeling, nucleolus kommer tilbage sammen som et enkelt rum af væske, " sagde Shuichi Takayama, undersøgelsens hovedforsker og professor i Wallace E. Coulter Department of Biomedical Engineering ved Georgia Tech og Emory University.

Membranløse organeller kan bestå af et par forskellige vandige opløsninger, hver med forskellige opløste stoffer som proteiner eller sukker eller RNA eller salt. Forskelle i løsningernes termodynamik, det er, hvordan deres molekyler hopper rundt, forhindre dem i at smelte sammen til en enkelt løsning.

I stedet, de faser adskiller måden olie og vand gør, selv efter blanding. Men der er ingen olie i dette tilfælde.

"De er alle vand, " sagde Takayama. "De blander sig bare ikke med hinanden, fordi de har forskellige opløste stoffer."

Hvilke naturtro processer demonstrerede det syntetiske eksperiment?

Under blanding, der sker vigtige ting. Nukleolus, for eksempel, er afgørende for DNA -transkription. Men den syntetiske opsætning, en samling vandige løsninger fremstillet af undersøgelsens første forfatter, Taisuke Kojima, udført en enklere række af reaktioner, der demonstrerede, hvordan de membranløse organeller kunne drive sukkerforarbejdning.

"Vi havde tre faser af løsninger, der hver indeholdt forskellige reaktanter, "Sagde Kojima." Det var som en bold med tre lag:en ydre løsning, en mellemløsning, og en kerneløsning. Glucose var i det ydre lag; et enzym, glucoseoxidase, var i andet lag, og peberrodsperoxidase var i kernen sammen med et kolorimetrisk substrat, der gav os et synligt signal, når den sidste reaktion, vi ledte efter, fandt sted."

Glukosen i det ydre lag har grænseflade med glucoseoxidasen i det andet lag, som katalyserede glukosen til hydrogenperoxid. Det landede i det andet lag og kom i kontakt med peberrodsperoxidasen i kernelaget, som katalyserede det i kernelaget sammen med den forbindelse, der skifter farver.

"Denne type kaskadereaktion er, hvad man ville forvente at se membranløse organeller udføre, " sagde Takayama.

Kaskaden transporterede endda hvert reaktionsprodukt fra det ene rum til det næste, noget meget typisk i biologiske processer, som organer, der fordøjer mad eller en organel, der behandler molekyler.

Hvad kan en overraskelsesopdagelse lære os?

En del af reaktionen overraskede forskerne, og det resulterede i en ny opdagelse.

"Når forskere tænker på membranløse organeller, vi tror ofte, at reaktionerne inde i dem er mere effektive, når deres enzymer og substrater er i det samme rum, "Sagde Takayama." Men i vores eksperimenter, som faktisk bremsede reaktionen. Vi sagde, 'Puha, hvad sker der her?'"

"Når substratet er på det samme sted, hvor reaktionsproduktet også bygger sig op, enzymet bliver nogle gange forvirret, og det kan hæmme reaktionen, "sagde Kojima, som er postdoktor i Takayamas laboratorium. "Jeg var ret overrasket over at se det."

Kojima lagde enzymerne og substratet i separate opløsninger, som grænseflade, men ikke smeltede sammen til en enkelt løsning, og reaktionen i hans syntetiske organel fungerede effektivt. Dette viste, hvordan uventede finesser kan være finjustering af organelkemi.

"Det var et Guldlok-regime, ikke for meget kontakt mellem substrat og enzym, ikke for lidt, helt rigtigt, " sagde Takayama.

"Sommetider, i en celle, et substrat er ikke rigeligt og skal muligvis koncentreres i sit eget lille rum og derefter bringes i kontakt med enzymet, "Sagde Takayama." Derimod, nogle substrater kan være meget rigelige i kernen, og det kan være vigtigt at skille dem fra enzymer for at få lige nok kontakt til den rigtige slags reaktion."