Forskere spørger:Hvordan kan flydende organeller i celler sameksistere uden at smelte sammen?

Ny forskning kan hjælpe med at forklare et spændende fænomen inde i menneskelige celler:hvordan vægløse flydende organeller er i stand til at sameksistere som separate enheder i stedet for blot at smelte sammen.

Disse strukturer, kaldet membranløse organeller (MLO'er), er væskedråber lavet af proteiner og RNA, med hver dråbe, der holder begge materialer. Organellerne spiller en afgørende rolle i organiseringen af ​​det indre indhold af celler, og kan tjene som et center for biokemisk aktivitet, rekruttering af molekyler, der er nødvendige for at udføre essentielle cellulære reaktioner.

Men hvordan forskellige dråber holder sig adskilt fra hinanden forbliver et mysterium. Hvorfor kombineres de ikke altid for at danne større dråber?

"Disse organeller har ingen membran, og dermed, almindelig intuition ville fortælle dig, at de er frie til at blande, " siger Priya Banerjee, Ph.D., assisterende professor i fysik ved universitetet ved Buffalo College of Arts and Sciences.

Banerjee er ledende forsker på det nye studie, som undersøger, hvorfor dette ikke sker.

Medforfattere til forskningen omfatter førsteforfatter og fysik-ph.d. studerende Ibraheem Alshareedah; fysik Ph.D. studerende Taranpreet Kaur; bachelor Jason Ngo; fysik og matematik bachelor Hannah Seppala; biomedicinsk ingeniør bachelor Liz-Audrey Djomnang Kounatse; og fysik postdoc-forskere Wei Wang og Mahdi Moosa. Alle er fra UB.

Dråber blandes ikke let, hvis de antager en gel-lignende tilstand

Resultaterne - offentliggjort den 22. august i Journal of the American Chemical Society — pege på den kemiske struktur af protein- og RNA-molekyler i dråberne som en nøglefaktor, der kan forhindre MLO'er i at blande sig.

Holdet fandt ud af, at visse typer RNA og proteiner er "klæbere" end andre, gør det muligt for dem at danne gelatinøse dråber, der ikke let smelter sammen med andre dråber i samme viskoelastiske tilstand. Specifikt, dråber er mere tilbøjelige til at være gel-lignende, når de indeholder RNA-molekyler rige på en byggesten kaldet purin, og proteiner rige på en aminosyre kaldet arginin.

Forsøgene foregik ikke i celler. I stedet, resultaterne var baseret på test udført på modelsystemer bestående af RNA og et dråbedannende protein kaldet fusioneret i sarkom (FUS), der flyder i en bufferopløsning.

En af grundene til, at FUS er interessant for forskere, er dens potentielle forbindelse til den neurodegenerative sygdom amyotrofisk lateral sklerose (ALS). Som Banerjee forklarer, argininrige proteinmolekyler er forbundet med en udbredt form for sygdommen, kendt som c9orf72-medieret ALS.

"Vores fund peger på en særlig rolle af argininrige proteiner i bestemmelsen af ​​den materielle tilstand - væske vs. gel - af membranløse organeller, " siger Banerjee. "Denne undersøgelse kan være vigtig for at forstå, hvordan ALS-bundne argininrige proteiner kan ændre den viskoelastiske tilstand af RNA-rige MLO'er."

Ud over at give indsigt i, hvorfor MLO'er modstår blanding (på grund af øget viskoelasticitet), undersøgelsen undersøgte RNA's rolle i dannelsen og opløsningen af ​​flydende organeller indeholdende FUS. Forskningen fandt, at for den type dråbe, der blev undersøgt, tilsætning af lave koncentrationer af RNA til en opløsning indeholdende proteinerne fik dråber til at dannes. Men efterhånden som mere RNA blev tilføjet, dråberne opløstes derefter.

"Der er normalt et meget lille vindue, hvor disse dråber findes, men vinduet er betydeligt bredere for argininrige proteiner, " siger Banerjee.

Flydende organellers komplicerede liv

Det nye papir er det seneste i en række undersøgelser, som Banerjees gruppe har udført for at udforske kræfter, der styrer skabelsen, vedligeholdelse og opløsning af MLO'er.

Selvom holdet bruger modelsystemer til at undersøge individuelle egenskaber af dråberne, det er sandsynligt, at mange kræfter arbejder sammen i en celle for at bestemme organellernes adfærd og funktion, han siger. Der kan være flere andre mekanismer, for eksempel, som får MLO'er til at antage en gelatinøs tilstand eller på anden måde nægter at blande.

"Celler er enormt komplekse, med mange forskellige molekyler, der gennemgår forskellige processer, der samles på samme tid for at påvirke, hvad der foregår inde i MLO'er, " siger Banerjee. "Ved at bruge modelsystemer, vi er i stand til bedre at forstå, hvordan en bestemt variabel kan påvirke dannelsen og opløsningen af ​​disse organeller. Og vi forventer at se de samme kræfter i spil i naturen, inde i celler."