Celler – byggstenarna i våra kroppar – är inkapslade av membran. Detsamma gäller de specialiserade avdelningarna i våra celler.

Dessa membran är extremt tunna, oljiga filmer, som innehåller proteiner och fettmolekyler som kallas lipider. I årtionden, forskare har argumenterat om hur cellmembranen organiserar och upprätthåller distinkta regioner berikade med särskilda protein- och lipidtyper. Dessa regioner tros påverka cellulära aktiviteter, såsom signaleringen som styr både normal celltillväxt och tillväxten av cancerceller.

I en tidning publicerad 5 december i Biofysisk tidskrift , forskare vid University of Washington visar för första gången att den komplexa fördelningen av molekyler inom ett membran av en levande jästcell uppstår genom demixning. Även känd som fasseparation, demixing är en enkel fysisk process som liknar den åtgärd som får oljadroppar att separera från vinäger i en salladsdressing.

"Celler har en verktygslåda med en mängd olika resurser som hjälper dem att utföra en mängd olika uppgifter, " sa seniorförfattaren Sarah Keller, en UW professor i kemi. "Genom att slå sig ihop med Alex Merz, en UW professor i biokemi och en jästexpert, vi har visat att fasseparation är ett av dessa verktyg för att forma membran och deras funktioner i ett levande system."

UW-forskarna inspirerades av bilder på en genetiskt modifierad stam av jäst där membranproteiner glödde fluorescerande. Proteinerna lyser upp intracellulärt, membranbundna fack som kallas vakuoler. Vakuolerna såg ut som gröna miniatyrbollar mönstrade med mörka prickar. De där prickarna, forskarna insåg, såg nästan identiska ut med membranregioner som uppstår från fasseparation i två typer av icke-levande system:enkla, konstgjorda membran skapade i ett labb och membran som släpps ut från celler under svår stress.

"Membranen i levande system innehåller många olika typer av fetter, proteiner och andra molekyler, " sa co-lead författare Scott Rayermann, en föreläsare vid UW Tacoma som utförde denna forskning när han var doktorand i kemi vid UW. "Var och en av dessa typer av molekyler har olika fysikaliska och kemiska egenskaper med potential att påverka egenskaperna hos membranet som helhet. Vi och andra grupper har antagit en hypotes att denna variation av molekyler skulle tillåta membran att fasseparera genom sammansättning till diskreta regioner. "

Först, teamet upptäckte att prickarna som visas på vakuolmembranen snabbt kan smälta samman. Detta beteende överensstämmer med flytande faser, precis som droppar i en nyligen skakad salladsdressing med olja och vinäger snabbt smälter samman när de kolliderar. Nästa, teamet fann att fasseparation i membranen av jästvakuoler beror på temperaturen. När forskarna värmde jästen över 90 grader Fahrenheit, de två flytande faserna smälte samman till en — prickarna försvann. När jästcellerna kyldes tillbaka till rumstemperatur, de fasseparerade regionerna dök upp igen.

"Forskare hade aldrig tidigare visat att fasseparerade vätskor kan samexistera i levande cellers membran, " sa co-lead författaren Glennis Rayermann, en UW doktorand i kemi. "För att visa att fasseparation inträffar, vi var tvungna att på ett tillförlitligt sätt spåra fördelningen av proteiner inom membran, visa att de bildade regioner som i artificiella system och att dessa regioner skulle smälta samman som svar på förändrade miljöförhållanden."

Nu när forskarna har visat att levande membran kan genomgå fasseparation, framtida arbete behövs för att visa hur celler reglerar fasseparation. Detta kan vara genom inverkan av gener, miljöförhållanden eller en kombination av faktorer.

"Vår upptäckt att fasseparation kan driva membranorganisation i jäst tyder på att liknande processer kan fungera i andra celler, inklusive mänskliga celler, sade Merz. Igen, vi ser kraften i modellsystem som jäst, fruktflugor och maskar i vår utforskning av grundläggande fysiologi. UW har varit i framkanten av jästgenetik och cellbiologi i över 60 år."

"Det finns en otrolig potential här att låsa upp hur olika typer av celler bildar och upprätthåller unika strukturer - och hur olika strukturer bildas även inom samma cell, sa Keller.