Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Ett framväxande fält utforskar hur grupper av molekyler kondenserar ihop inuti celler, hur oljedroppar samlas och separeras från vatten i en vinägrett.
I mänskliga celler uppstår "vätske-vätskefasseparation" eftersom liknande, stora molekyler glom ihop till täta droppar separerade från de mer utspädda delarna av vätskecellens inre. Tidigare arbete hade föreslagit att evolutionen utnyttjade den naturliga bildningen av dessa "kondensat" för att organisera celler, vilket till exempel tillhandahåller isolerade utrymmen för att bygga cellulära maskiner.
Dessutom är onormala, kondenserade - även kallade "trassliga" - grupper av molekyler i droppar nästan alltid närvarande i cellerna hos patienter med neurodegenerativa tillstånd, inklusive Alzheimers sjukdom. Även om ingen vet varför sådana kondensat bildas, hävdar en ny teori att de biofysiska egenskaperna hos cellinteriörer förändras när människor åldras – delvis drivna av "molekylär trängsel" som packar fler molekyler i samma utrymmen för att påverka fasseparationen.
Forskare jämför kondensat med mikroprocessorer, datorer inbyggda i kretsar, eftersom både känner igen och beräknar svar baserat på inkommande information. Trots den misstänkta effekten av fysiska förändringar på vätskeprocessorer har fältet kämpat för att klargöra mekanismerna som kopplar ihop fasseparation, kondensatbildning och beräkning baserad på kemiska signaler, som förekommer i mycket mindre skala, säger forskare. Detta beror på att naturliga kondensat har så många funktioner att experiment kämpar för att avgränsa dem.
För att möta denna utmaning byggde forskare vid NYU Grossman School of Medicine och det tyska centret för neurodegenerativa sjukdomar ett konstgjort system som avslöjade hur bildandet av kondensat förändrar verkan på molekylär nivå av enzymer som kallas kinaser, ett exempel på kemisk beräkning. Kinaser är proteinomkopplare som påverkar cellulära processer genom att fosforylera - fästa en molekyl som kallas en fosfatgrupp - till målmolekyler.
Den nya analysen, publicerad online den 14 september i Molecular Cell, fann att bildningen av konstruerade kondensat under fasseparation erbjöd mer "klibbiga" regioner där medicinskt viktiga kinaser och deras mål kunde interagera och utlösa fosforyleringssignaler.
"Våra studieresultat visar att fysiska förändringar som trängsel kan driva kondensatbildning som omvandlas till biokemiska signaler, som om kondensat vore squishy datorer", säger huvudförfattaren till studien Liam Holt, Ph.D., docent vid Institutet för Systemgenetik vid Institutet för Systemgenetik vid NYU Langone Health.
Bland studiekinaser som sågs vara mer aktiva i en trång, kondenserad miljö var Cyclin Dependent Kinase 2, känt för att fosforylera det mikrotubulibindande proteinet Tau. Trassliga kondensat av Tau finns ofta i hjärncellerna hos patienter med Alzheimers sjukdom.
"Våra experiment tyder på att bildandet av mer Tau-kondensat driver mer Tau-fosforylering", tillägger Holt, också fakultet vid institutionen för biokemi och molekylär farmakologi. "Om dessa mekanismer leder till mer hjärncellsdöd, och om att vända dem kan vara en ny behandlingsmetod, kommer att vara viktiga frågor i vårt kommande arbete."
Närmare bestämt fann studien att när Tau och Cyclin Dependent kinas kondenserades samman till täta droppar, var det en trefaldig acceleration av en fosforylering vid en grupp av platser på Tau (AT8-epitopen) kopplade till Alzheimers sjukdom.
Konstruera en biosensor
I ett försök att konstruera användbara versioner av dessa datorer testade forskargruppen flera artificiella kondensat, syntetiserade olika byggnadsställningsmolekyler för att se vilka kinaser som togs bäst ut – MAPK3, Fus3 och Cyclin-dependent Kinase 1 (Cdk1) – tillsammans med deras mål att öka signal. Kondensat bildas när byggnadsställningsmolekyler maskar ihop i droppar. Teamet fann att i sin modell gjorde ansamlingen av stora biomolekyler till droppar inuti encelliga levande organismer som kallas jäst fosforyleringsreaktioner hundratals gånger snabbare.
Studien fann också att kondensatbildning lät de ingående kinaserna fosforylera fler typer av molekyler, och utan närvaron av de molekylära former som vanligtvis krävs. Detta tyder på att kondensat i trånga celler skapar förändrade beräkningstyper, några potentiellt sjukdomsrelaterade.
På väg framåt försöker forskargruppen bygga på en tidigare studie i Holts labb, som fann att ett proteinkomplex som kallas mTORC1 kontrollerar molekylär trängsel genom att bestämma antalet ribosomer, "maskiner" som bygger andra stora proteiner i celler. Teamet planerar att studera om föreningar som är kända för att hämma mTORC1 kan minska trängsel och Tau-fosforylering.
Slutligen hoppas forskarna också att deras resultat främjar designen av andra cellulära datorer som reagerar på fysiska krafter. Detta kan innefatta införandet av konstruerade processorer i immunceller som – för att attackera cancerceller – skulle slås på när de försökte klämma in i vävnad som gjorts tät av växande tumörer. + Utforska vidare
