En tvåfärgad fluorescensmikroskopibild visar flytande droppar tillverkade av ett argininrikt protein och ett purinrikt RNA. De blå och röda dropparna är gjorda av samma material (både protein och RNA), men taggade med olika färgämnen för att underlätta visualisering. På många ställen, dropparna -- flytande fritt i en lösning -- samexisterar men blandas inte. Upphovsman:Ibraheem Alshareedah / Priya Banerjee Laboratory
Ny forskning kan hjälpa till att förklara ett spännande fenomen inuti mänskliga celler:hur vägglösa vätskelösa organeller kan samexistera som separata enheter istället för att bara gå samman.
Dessa strukturer, kallas membranlösa organeller (MLOs), är vätskedroppar gjorda av proteiner och RNA, med varje droppe som håller båda materialen. Organellerna spelar en avgörande roll för att organisera det inre innehållet i celler, och kan fungera som ett centrum för biokemisk aktivitet, rekrytera molekyler som behövs för att utföra väsentliga cellulära reaktioner.
Men hur olika droppar håller sig åtskilda från varandra förblir ett mysterium. Varför kombineras de inte alltid för att bilda större droppar?
"Dessa organeller har inget membran, och följaktligen, vanlig intuition skulle säga att de är fria att blanda, " säger Priya Banerjee, Ph.D., biträdande professor i fysik vid universitetet vid Buffalo College of Arts and Sciences.
Banerjee är ledande forskare i den nya studien, som undersöker varför detta inte händer.
Medförfattare till forskningen inkluderar första författare och fysik Ph.D. student Ibraheem Alshareedah; fysik Ph.D. elev Taranpreet Kaur; grundexamen Jason Ngo; fysik och matematik grundexamen Hannah Seppala; biomedicinsk ingenjörsexamen Liz-Audrey Djomnang Kounatse; och fysik postdoktorala forskare Wei Wang och Mahdi Moosa. Alla är från UB.
Droppar kommer inte att blandas lätt om de antar ett gelliknande tillstånd
Resultaten – publicerade den 22 augusti i Journal of the American Chemical Society — peka på den kemiska strukturen hos protein- och RNA-molekyler i dropparna som en nyckelfaktor som kan hindra MLO från att blandas.
Teamet fann att vissa typer av RNA och proteiner är "klibbigare" än andra, gör det möjligt för dem att bilda gelatinösa droppar som inte lätt smälter samman med andra droppar i samma viskoelastiska tillstånd. Specifikt, droppar är mer benägna att vara gelliknande när de innehåller RNA-molekyler rika på en byggsten som kallas purin, och proteiner rika på en aminosyra som kallas arginin.
University at Buffalo fysik doktoranderna Taranpreet Kaur (vänster) och Ibraheem Alshareedah förbereder en mikrofluidisk flödeskammare för experiment. Mikrofluidik tillåter snabb manipulation av proteindroppar under optiska fällor - en teknik som används för att genomföra den nya studien. Kredit:Douglas Levere / University at Buffalo
Experimenten ägde inte rum i celler. Istället, fynden baserades på tester gjorda på modellsystem bestående av RNA och ett droppbildande protein som kallas fused in sarcoma (FUS) flytande i en buffertlösning.
En anledning till att FUS är av intresse för forskare är dess potentiella koppling till den neurodegenerativa sjukdomen amyotrofisk lateralskleros (ALS). Som Banerjee förklarar, argininrika proteinmolekyler är associerade med en utbredd form av sjukdomen, känd som c9orf72-medierad ALS.
"Vårt fynd pekar på en speciell roll för argininrika proteiner för att bestämma det materiella tillståndet - vätska kontra gel - hos membranlösa organeller, " säger Banerjee. "Denna studie kan vara viktig för att förstå hur ALS-kopplade argininrika proteiner kan förändra det viskoelastiska tillståndet hos RNA-rika MLOs."
Förutom att ge insikt om varför MLO:er motstår blandning (på grund av förbättrad viskoelasticitet), studien undersökte RNA:s roll i bildandet och upplösningen av flytande organeller som innehåller FUS. Forskningen fann att för den typ av droppe som studeras, tillsats av låga koncentrationer av RNA till en lösning innehållande proteinerna fick droppar att bildas. Men när mer RNA tillsattes, dropparna löstes sedan.
"Det finns vanligtvis ett mycket litet fönster där dessa droppar finns, men fönstret är betydligt bredare för argininrika proteiner, " säger Banerjee.
Det komplicerade livet för flytande organeller
Den nya uppsatsen är den senaste i en serie studier som Banerjees grupp har genomfört för att utforska krafter som styr skapandet, underhåll och upplösning av MLO.
Även om teamet använder modellsystem för att undersöka individuella egenskaper hos dropparna, det är troligt att många krafter samverkar i en cell för att bestämma organellernas beteende och funktion, han säger. Det kan finnas flera andra mekanismer, till exempel, som får MLO att anta ett gelatinartat tillstånd eller på annat sätt vägrar att blanda.
"Celler är enormt komplexa, med många olika molekyler som genomgår olika processer som möts samtidigt för att påverka vad som händer inom MLO, " säger Banerjee. "Genom att använda modellsystem, vi kan bättre förstå hur en viss variabel kan påverka bildningen och upplösningen av dessa organeller. Och vi förväntar oss att se samma krafter spela i naturen, inuti cellerna. "
