Forskare vid St. Jude Children's Research Hospital studerar vätske-vätskefasseparation (LLPS), en biofysisk process genom vilken proteiner och nukleinsyror i en cell delas upp utan membran. Arbetet ger ny inblick i hur styrkan hos de krafter som driver fasseparation är kopplad till den hastighet med vilken det sker. Resultaten publicerades idag i Naturkommunikation .

Celler måste sortera och organisera proteiner och andra komponenter. Ett sätt de gör det är genom LLPS, en process som liknar hur olja bildar droppar i vatten. Membranlösa organeller, kroppar i en cell som beter sig som flytande droppar, organisera vissa proteiner utan att omsluta dem med ett membran. Istället, proteinerna hålls samman av de biofysiska krafterna som driver LLPS.

Lite är känt om hur biomolekyler övergår från enfaslösning till tvåfasblandning, i en process som kallas kärnbildning. Denna process har varit utmanande att utvärdera eftersom den kräver att man tittar på extremt snabba tidsskalor (mikrosekunder till millisekunder). Som ett resultat, de flesta studier har istället tittat på evolution inom system som redan befinner sig i tvåfasregimen (hur droppar smälter och växer).

"Vi kan se under dessa mycket tidiga tidpunkter att även individuella störda proteinmolekyler som fas separerar har helt andra egenskaper än störda proteiner som inte fas separerar, "sa medförsvararen Tanja Mittag, Ph.D., St. Jude Institutionen för strukturbiologi.

Forskning vid St. Jude och på andra håll har visat att LLPS kan vara inblandad i neurodegenerativa sjukdomar som amyotrofisk lateral skleros (ALS) och cancer. En bättre förståelse av LLPS kan i slutändan leda till möjligheter att terapeutiskt inrikta sig på delar av processen.

Mikrosekundstidsmätningar ger ny förståelse

Den rådande uppfattningen om LLPS i biologin har varit att en förändring av cellförhållanden spontant kan leda till kärnbildning, byta en enfaslösning till två faser. I denna forskning, forskarna använde ett förenklat system, med ett enda protein i vatten och salt, för att studera om bytet faktiskt skedde på ett sådant sätt eller om ytterligare steg krävs för att kickstarta processen.

Med en teknik som kallas snabbblandning, tidsupplöst, liten vinkel röntgenspridning (TR-SAXS), forskarna kunde observera de tidigaste stadierna av processen. De undersökte kärnbildningen av en prionliknande domän som kallas A1-LCD från proteinet hnRNPA1. Mutationer av detta protein orsakar ALS och andra sjukdomar.

Forskarna visade hur kluster av A1-LCD bildar, och hur dessa kluster leder till LLPS. Fynden indikerar att kärnbildning innehåller distinkta steg, differentieras med storleken på klustret. När man tittar på de minsta klustren (med få enskilda molekyler), forskare fann att monteringsbeteendet skilde sig från klassisk kärnteknik. Dessa avvikelser förklarar potentiellt varför fasseparation av vissa biomolekyler kan ske i millisekunder medan det tar timmar för andra.

"Även i ett förenklat system, du måste fortfarande ta hänsyn till denna typ av icke-idealiska effekter i de tidiga stadierna av kärnbildning, "sa medförfattaren Erik Martin, Ph.D., St. Jude Institutionen för strukturbiologi. "Innan du kan börja tänka på fasseparering eller kondens i celler, du måste tänka på saker från en molekylär nivå. Det kommer att vara första steg till den monteringen som inte redovisas i tidigare modeller. "