Att titta in i en biologisk cell avslöjar en myllrande mikroskopisk värld. Arbetshästarna inom detta område är specialiserade strukturer som kallas organeller som utför vitala cellulära funktioner. Märkligt nog trotsar vissa organeller accepterad konvention:Istället för att vara inneslutna i ett skyddande membran är de utan membran och tar formen av isolerade vätskedroppar. Reglerna som styr bildandet av dessa droppar, en process som kallas "vätske-vätskefasseparation", är ett nytt och intensivt eftersträvat forskningsområde.
Ett team av forskare från Texas A&M Engineering, University of Delaware och Rutgers University har upptäckt att aminosyror (rester) som utgör proteinerna i dropparna interagerar på många fler sätt än vad som för närvarande är känt. Dessa interaktioner, de visar, underlättar proteinsammansättningen och så småningom vätske-vätskefasseparation till droppar.
Forskarna har publicerat sina resultat i tidskriften Nature Chemistry .
Deras arbete är ett steg mot att bredda förståelsen av cellulär biologi, utveckla behandlingar för sjukdomar som involverar patologiska proteinaggregat, som Alzheimers och Parkinsons, och skapa nya biokonstruerade mjuka material.
Den senaste upptäckten av vätskedroppar i levande celler gjordes först i könscellerna hos en jordlevande mask, Caenorhabditis elegans (C. elegans). Inom maskens embryo tjänar membranlösa strukturer som kallas P-granuler väsentliga reproduktionsfunktioner. När de undersöktes ytterligare fann utredarna att P-granulerna saknade membran och kunde droppa, sammanfogas eller lösas upp, med egenskaper precis som vätskor. Vidare kan dessa P-granuler hålla sin integritet i den geléliknande cytoplasman, ungefär som oljedroppar i vatten.
"Det skedde en grundläggande förändring under 2009 i att tänka på cellulär kompartmentalisering i termer av uppkomsten av droppliknande strukturer", säger Dr Jeetain Mittal, professor vid Artie McFerrin Institutionen för kemiteknik och senior författare. "De flesta biologer började acceptera att fasseparation inte är undantaget utan regeln med vilken biologiska celler delar upp funktionella enheter andra än membranbundna organeller."
Men hur kan bara specifika proteiner som slingrar sig runt i cytoplasman tillsammans med miljontals andra samlas till funktionella droppar? Bevis indikerar att proteiner som är i sig störda eller de som saknar en ordnad tredimensionell struktur kan vara väsentliga vid fasseparation. Interaktionerna mellan oordnade proteiner som orkestrerar fasseparation har dock ännu inte helt definierats.
"Vi har fortfarande inte en tydlig uppfattning om vilka aminosyror inom de oordnade regionerna som är drivkraften för fasseparation", säger Shiv Rekhi, doktorand vid Mittals laboratorium och huvudförfattare. "Vi ville gå utanför etablerade regler, fortfarande visa fasseparation och sedan kvantifiera hur varje aminosyra bidrog till processen."
För sin forskning använde teamet ett syntetiskt oordnat protein med aminosyrasekvenser som påminner om naturligt förekommande proteiner. Forskarna skapade sedan proteinvarianter genom att ta bort eller lägga till en specifik typ av aminosyra och utvärderade om kondensation till droppar fortfarande förekom. Tillsammans med sina medarbetare utförde de mikroskopi och grumlighetsexperiment för att utvärdera den fysiska naturen hos den proteinberikade droppen. Slutligen, med hjälp av storskaliga simuleringar, undersökte Rekhi hur de atomära interaktionerna mellan aminosyrorna i proteinsekvensen översattes till bildandet av vätskedroppar som observerats experimentellt.
"En utbredd uppfattning är att tyrosin och/eller arginin krävs för fasseparation. Vi testade det direkt genom att göra proteinvarianter där vi tog bort dessa rester, och vi fick fortfarande fasseparation", säger Rekhi. "Detta och många andra sådana experiment berättade för oss att fasseparation kan ske utan många rester som folk tror är nödvändiga."
Forskarna fann att alla utom en av de 12 proteinvarianterna visade fasseparation, vilket understryker närvaron av flera interaktioner mellan aminosyraresterna som utgör det oordnade proteinet.
"Ett tag har folk på området antagit att en begränsad uppsättning regler kan beskriva droppbildning. Vi har visat att allt i proteinsekvensen spelar roll", säger Mittal. "Vår uppsats slår fast att fasseparationens molekylära språk är mycket rikare och mer komplext."
Andra bidragsgivare till forskningen inkluderar Cristobal Garcia Garcia och Dr. Kristi L. Kiick från University of Delaware; Mayur Barai och Dr. Benjamin Schuster från Rutgers, State University of New Jersey.
Mer information: Shiv Rekhi et al, Expanding the molecular language of protein liquid-liquid phase separation, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01489-x
Journalinformation: Naturkemi
Tillhandahålls av Texas A&M University College of Engineering
