Ingenjörer vid Washington University i St. Louis och Princeton University utvecklade ett nytt sätt att dyka in i cellens minsta och viktigaste komponenter. Vad de hittade inuti membranlösa organeller överraskade dem, och kan leda till bättre förståelse av dödliga sjukdomar inklusive cancer, Huntington's och ALS. Upphovsman:Washington University i St. Louis
Inuti varje levande cell, det finns små strukturer som kallas membranlösa organeller. Dessa små kraftverk använder kemi för att cue de inre funktionerna i en cell - rörelse, splittring och till och med självförstörelse.
Ett samarbete mellan ingenjörer vid Princeton University och Washington University i St. Louis har utvecklat ett nytt sätt att observera de inre funktionerna och materialstrukturen hos dessa livsviktiga organeller. Forskningen, publicerad idag i Naturkemi , kan leda till en mängd nya vetenskapliga tillämpningar, samt en bättre förståelse av sjukdomar som cancer, Huntington's och ALS.
"De är som små vattendroppar:De flyter, de har alla egenskaper hos en vätska, liknar regndroppar, "sa Rohit Pappu, Edwin H. Murty professor i teknik vid Washington University's School of Engineering &Applied Science. "Dock, dessa droppar består av protein som kommer tillsammans med RNA (ribonukleiska) molekyler. "
Förr, att kika in i organeller har visat sig vara svårt, på grund av deras lilla storlek. Clifford Brangwynne, docent i kemisk och biologisk teknik vid Princeton's School of Engineering and Applied Science, och hans medarbetare, utvecklat en ny teknik-kallad ultrasnabb scanningsfluorescenskorrelationsspektroskopi eller usFCS-för att få en närliggande bedömning av koncentrationerna inuti och undersöka porositeten hos faksimiler av membranlösa organeller. Metoden använder ljudvågor för att styra ett mikroskops rörelseförmåga och sedan erhålla kalibreringsfria mätningar av koncentrationer inuti membranlösa organeller.
I sin forskning, Brangwynne och hans team, inklusive postdoktorer Ming-Tzo Wei och Shana Elbaum-Garfinkle, använda celler tagna från en rundmask. Med ossFCS, de kunde mäta proteinkoncentrationer inuti organeller som bildas av det specifika proteinet, LAF-1. Detta protein är ansvarigt för att producera p-granulat, som är proteinsammansättningar som är ansvariga för polarisering av en cell före delning. När Princeton-forskarna klart kunde kika in i organellerna och se LAF-1, vad de hittade överraskade dem.
"Vi fann att istället för att vara tätt packade droppar, dessa är mycket låga, permeabla strukturer, "Sa Brangwynne." Det var inte det förväntade resultatet. "
För första gången, ingenjörer från Washington University i St. Louis och Princeton University kunde få en bra titt inuti membranlösa organeller, små komponenter inuti en cell. Denna illustration visar den olika viskositeten som finns i dem; en upptäckt som kan leda till nya laboratoriegenombrott och sjukdomsförståelse i framkant. Kredit:(Courtesy:Washington University i St. Louis)
Det var då Washington Universitys Pappu och hans forskarassistent Alex Holehouse försökte förstå de överraskande resultaten från Princeton -gruppen. Pappus laboratorium är specialiserat på polymerfysik och modellering av membranlösa organeller.
"Vi kunde i princip simma inne i organellerna för att avgöra hur mycket utrymme som faktiskt är tillgängligt. Medan vi förväntade oss att se en fullsatt pool, vi hittade en med gott om plats, och vatten. Vi börjar inse att dessa droppar inte alla kommer att vara desamma, "Sa Pappu.
När det gäller LAF-1-organellerna, forskarna fann att bildandet av ultra-utspädda droppar härrör från information som kodas i de egensinnade störningarna i dessa proteinsekvenser. Funktionerna i den sekvensen säkerställer att detta protein är en mycket diskett molekyl, snarare som kokt spaghetti, saknar förmåga att vika in i en specifik, väl definierad struktur. I kontrast, i andra organeller som bildas av olika proteiner, materialegenskaperna är mer som hos tandkräm eller ketchup. Brangwynne och Pappu fortsätter att samarbeta för att ta reda på hur olika proteinsekvenser kodar för förmågan att bilda droppar med mycket olika materialegenskaper. Detta arbete har direkta konsekvenser för att förstå biologiska funktioner hos membranlösa organeller och för att förstå hur förändringar av dessa materialegenskaper ger upphov till sjukdomar som neurodegeneration eller cancer.
"Det finns en explosion av tekniska tillämpningar och transformationer för mekanistisk cellbiologi som ligger i horisonten. Dessa framsteg kommer att vara tillgängliga när vi lär oss mer om grunden för dessa organeller och hur deras aminosyrasekvens bestämmer materialegenskaper och funktion, "Pappu sa." Dessa organeller gör anmärkningsvärda saker inuti celler, och en riktigt snygg fråga är:Hur kan vi efterlikna dem? "
Pappu säger en dag, forskare kan hacka designprinciperna för organeller för att utforma allt från intracellulära kemilaboratorier till små läkemedelsleveransfordon och avbildningsmedel. Bortsett från de praktiska tillämpningarna, det finns också potentiella konsekvenser för att förstå och diagnostisera en mängd olika sjukdomar.
"Det är viktigt att kunna förstå hur man kan reglera dessa droppars funktioner, "Sa Pappu." Om vi lyckas, påverkan kan vara transformerande:Det är inte bara cancer, det är neurodegeneration, om utvecklingsstörningar, och till och med grunderna i cellbiologi. "
