Ett par sockerarter, en skvätt enzymer, en nypa salt, en skvätt polyetylenglykol, noggrant arrangerade i vattniga bad. Och forskare hade gjort en syntetisk organell, som de använde i en ny studie för att utforska någon udda cellulär biokemi.

Forskarna vid Georgia Institute of Technology gjorde det kemiska medleyet i labbet för att nära efterlikna membranlösa organeller, mini-organ i celler som inte finns i ett membran men som finns som pooler av vattniga lösningar. Och deras modell visade hur, med bara några ingredienser, organellerna kunde utföra finjusterade biologiska processer.

Forskarna publicerade resultaten av sin studie i tidskriften ACS tillämpade material och gränssnitt för den 26 september, 2018 -nummer. Forskningen finansierades av National Institutes of Healths National Institute of General Medical Science och av National Science Foundation.

En snabb titt på membranlösa organeller bör hjälpa till att förstå forskningens betydelse.

Vad är membranlösa organeller?

Upptäckten av organeller som är pooler av vattniga lösningar och inte föremål med membran är ganska ny. Ett utmärkt exempel är nukleolen. Det finns inuti cellens kärna, som är en organell som har ett membran.

Förr, forskare trodde att nukleolen försvann under celldelning och dök upp igen senare. Sålänge, forskare har insett att nukleolus inte har något membran och att det under celldelning sprids som vattenbubblor gör i vinaigrette -förband som har skakats om.

"Efter celldelning, kärnan kommer tillbaka tillsammans som ett enda fack av vätska, " sa Shuichi Takayama, studiens huvudforskare och professor vid Wallace E. Coulters avdelning för biomedicinsk teknik vid Georgia Tech och Emory University.

Membranlösa organeller kan vara uppbyggda av några olika vattenlösningar, var och en med olika lösta ämnen som proteiner eller socker eller RNA eller salt. Skillnader i lösningarnas termodynamik, det är, hur deras molekyler studsar runt, hindra dem från att smälta samman till en enda lösning.

Istället, de fasseparerar så som olja och vatten gör, även efter sammanblandning. Men det finns ingen olja i det här fallet.

"De är alla vatten, " sa Takayama. "De blandas helt enkelt inte med varandra eftersom de har olika lösta ämnen."

Vilka verklighetstrogna processer visade det syntetiska experimentet?

Under sammanblandningen, viktiga saker händer. kärnan, till exempel, är avgörande för DNA-transkription. Men den syntetiska uppsättningen, en samling vattniga lösningar gjorda av studiens första författare, Taisuke Kojima, genomförde en enklare serie reaktioner som visade hur de membranlösa organellerna kunde driva sockerbearbetningen.

"Vi hade tre faser av lösningar som var och en innehöll olika reaktanter, " sa Kojima. "Det var som en boll med tre lager:en yttre lösning, en mellanlösning, och en kärnlösning. Glukos fanns i det yttre lagret; ett enzym, glukosoxidas, var i det andra lagret, och pepparrotsperoxidas fanns i kärnan tillsammans med ett kolorimetriskt substrat som gav oss en synlig signal när den sista reaktionen vi letade efter inträffade."

Glukosen i det yttre lagret gränsar till glukosoxidaset i det andra lagret, som katalyserade glukosen till väteperoxid. Det landade i det andra lagret och gränssnitt mot pepparrotsperoxidas i kärnskiktet, som katalyserade det i kärnskiktet tillsammans med den föreningen som får färg.

"Denna typ av kaskadreaktion är vad man kan förvänta sig att se membranlösa organeller utföra, " sa Takayama.

Kaskaden transporterade till och med varje reaktionsprodukt från ett fack till nästa, något mycket typiskt i biologiska processer, som organ som smälter mat eller en organell som bearbetar molekyler.

Vad kan en överraskande upptäckt lära oss?

En del av reaktionen överraskade forskarna, och det resulterade i en ny upptäckt.

"När forskare tänker på membranlösa organeller, vi tror ofta att reaktionerna inuti dem är mer effektiva när deras enzymer och substrat finns i samma fack, " sa Takayama. "Men i våra experiment, som faktiskt bromsade reaktionen. Vi sa, 'Oj, vad händer här?'"

"När substratet är på samma plats där reaktionsprodukten också byggs upp, enzymet blir ibland förvirrat, och det kan hindra reaktionen, sa Kojima, som är postdoktor i Takayamas labb. "Jag blev ganska förvånad över att se det."

Kojima lägger enzymerna och substratet i separata lösningar, som gränssnitt men inte sammanfogade till en enda lösning, och reaktionen i hans syntetiska organell fungerade effektivt. Detta visade hur oväntade subtiliteter kan vara att finjustera organellkemi.

"Det var en Goldilocks -regim, inte för mycket kontakt mellan substrat och enzym, inte för lite, precis rätt, " sa Takayama.

"Ibland, i en cell, ett substrat är inte rikligt och kan behöva koncentreras i sitt eget lilla fack och sedan bringas i kontakt med enzymet, " sa Takayama. "Däremot, vissa substrat kan vara mycket rikligt i kärnan, och det kan vara viktigt att skilja dem från enzymer för att få tillräckligt med kontakt för rätt sorts reaktion. "