Världen inuti den mänskliga cellen har blivit lite mer intressant under de senaste åren när rollen som en ny biologisk struktur blev tydligare.

Man trodde länge att de viktigaste operationerna i cellen sker inom organeller. "De är där för att utföra vissa funktioner. Till exempel, mitokondrier genererar den energi som allt går på, "förklarade Aleksei Aksimentiev, en professor i fysik vid University of Illinois i Urbana-Champaign. "Det som är gemensamt för dem alla är att de är omgivna av ett lipidmembran. Vad människor nyligen upptäckte är att det finns organeller som inte har lipid -skikt. De samlas spontant i form av droppar. Och dessa organeller har särskilda funktioner . "

Under de senaste åren har med förbättrade bildfunktioner, rollerna, förekomst, och beteendet hos dessa membranlösa organeller har blivit tydligare. 2017 fick de ett namn:biologiska kondensat. De tros spela en roll i DNA -reparation och åldrande, och forskare tror att ett antal neurologiska sjukdomar är relaterade till att kondensatet inte fungerar som det ska, inklusive amyotrofisk lateral skleros, eller ALS, där nervceller bryts ner, vilket leder till förlust av muskelfunktion.

"Låt oss säga att du har DNA och att det plötsligt har en paus. Det brukar vara en riktigt dålig sak, eftersom den inte kan replikera, men det finns ett maskineri som kommer och reparerar det, "förklarade han." En bubbla av kondensat former som på mirakulöst sätt bara lockar till sig de molekyler som krävs för att reparera DNA:t. Det finns alla slags olika kondensat och de rekryterar alla rätt molekyler på något sätt. "

Hur bildas dessa membranlösa organeller spontant? Och hur rekryterar de andra molekyler för att hjälpa dem?

Fysiken i denna process verkar likna fasseparation, som hur olja och vatten spontant bildar droppar under rätt förhållanden, men med vissa skillnader. Vid normal fasseparation, temperaturen motiverar vanligtvis separationen. Inom biologin, det är en förändring i koncentrationerna.

"Vi vet inte exakt hur det fungerar, "Sa Aksimentiev." Jag är specifikt intresserad av hur denna rekrytering sker, och hur molekyler känner igen andra molekyler. "

Aksimentiev använder Frontera superdator vid Texas Advanced Computing Center (TACC), en av de snabbaste i världen, för att bättre förstå denna process. Under det senaste decenniet har han och andra utvecklade verktygen och metoderna för att utforska beteendet hos biologiska system på atomnivå med hjälp av molekylära dynamiksimuleringar.

Aksimentiev kan simulera biologiska system med miljontals interagerande atomer i en realistisk miljö för mikrosekunder eller till och med millisekunder - de tidsskalor vid vilka biologiska system fungerar. Dagens superdatorer tillåter större, snabbare simuleringar, och låta forskare ställa och svara på nya frågor.

Även enligt standarderna inom området, biologiska kondensat är utmanande att studera beräkningsmässigt. Till skillnad från andra ordnade system som proteiner med kända styva strukturer, eller störda system som vatten, biologiska kondensat är det som kallas 'delvis stört' - en särskilt svår typ av struktur att simulera.

Skriva i Journal of Physical Chemistry Letters i maj 2020, Aksimentiev och doktorand Han-Yi Chou beskrev grovkorniga molekylära dynamiksimuleringar på Frontera som kartlade fasdiagrammet (en grafisk framställning av ett ämnes fysiska tillstånd under olika temperatur- och tryckförhållanden) för ett visst biomolekylärt kondensat-sammansmält i sarkom (FUS). Ett nukleärt DNA/RNA -bindande protein, FUS reglerar olika steg för genuttryck, inklusive transkription, skarvning och mRNA -transport. Forskningen stöddes av bidrag från National Science Foundation och National Institutes of Health.

Forskarna visade att en partikelbaserad molekylär dynamikmodell kan reproducera kända fasseparationsegenskaper hos ett FUS-kondensat, inklusive dess kritiska koncentration och mottaglighet för mutationer.

De visade också att de kunde använda kedjekollapsteori för att bestämma kondensatets termodynamiska egenskaper och koppla dem till förändringar i formen av enskilda kondensatmolekyler.

Beteendet hos ett biologiskt kondensat, med alla dess komplexa inter- och intramolekylära interaktioner, kan beskrivas med en polymerfysikmodell, de hittade. Detta gör datormodellering till ett användbart verktyg för att avslöja beteendet hos dessa fortfarande mystiska mobilaktörer.

Aksimentievs forskning sätter scenen för framtida studier som kommer att belysa de molekylära mekanismerna som driver bildandet av droppar i mer komplexa biologiska kondensat, som de som reparerar RNA. Arbetet är ett steg på en lång väg för att helt klargöra mysteriet med biologiska kondensat i celler - ett annat trick av naturen som långsamt upptäcks.