Mekanismen för molekylär självorganisation bedömdes i en ny modell av forskare från Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization (MPIDS). I deras studie, de simulerade hur miljöfaktorer som temperatur påverkar storleken på oljedroppar i elastiska matriser. Studien kommer också att hjälpa till att förstå droppbildning i biologiska celler, där biologiska molekyler självorganiserar sig i kondensat. Hela tidningen publicerades nyligen i den berömda tidskriften PNAS .

Inom biologin, korrekt reglering av cellens inre är avgörande för att säkerställa funktionen av biologiska processer. Än, celler kan vara mycket komplexa strukturer med flera tusen olika typer av molekyler och miljontals proteinkopior. För att organisera denna enorma komplexitet, flera mekanismer krävs för att skapa subcellulära miljöer som tillhandahåller både definierade och dynamiska förhållanden. Till exempel, cellulära organeller möjliggör segregering av cellulära miljöer på grund av avgränsning via membran. Dock, även i den fullsatta cellulära matrisen krävs en strukturerad organisation av biomolekyler. Där, så kallade biomolekylära kondensat med en definierad molekylkomposition kan bildas spontant. Framträdande exempel på detta fenomen inkluderar spänningsgranulat och transkriptionella kondensat. Dessa kondensat omges av elastiska strukturelement i cellen, inklusive cytoskelet och kromatin i kärnan. Frågan är:hur påverkas kondensaten av de elastiska strukturerna och kan cellen använda denna interaktion för att utöva kontroll i den dynamiska cellulära miljön?

En modell ger tillgång till området molekylär organisation

Eftersom det är praktiskt taget inte möjligt att följa den detaljerade interaktionen mellan miljontals molekyler i en cell i realtid, forskare använder modeller som beskriver individuella aspekter av fenomenet. "Vi använder oljedroppar för att representera materialet i cytosolen och ett polymernät för att efterlikna det biologiska stället" förklarar Estefania Vidal-Henriquez, första författare till studien. "Den dynamiska utvecklingen av droppstorleken under vissa förhållanden ger oss information om hur biologiska molekyler skulle ordnas i en cellulär miljö." Modellen beskriver fördelningen av olika droppstorlekar och deras relativa överflöd. Dessutom, den anser att den omgivande matrisen kan vara trasig - vilket skulle referera till en omorganisation av den biologiska ställningen. Detta innebär att de biomolekylära kondensaten inte begränsas av maskstorleken på dess omgivande, men kan växa bortom.

Fasavskiljning som nyckelmekanism

Ett kraftfullt koncept för att förklara tillväxten av sådana kondensat är fasseparation. I korthet, beroende på förutsättningarna, två ämnen kommer antingen att blandas eller samexistera separerade från varandra. Flera faktorer kan påverka fasseparationen i biologin, såsom pH, koncentration, eller temperatur. I modellen, forskarna använde en temperaturmodulering för att undersöka effekten av fasseparation och droppbildning. Sänker långsamt systemets temperatur, en spontan kärnbildning av oljedroppar observerades, som växte sig med tiden genom att absorbera materialet runt dem. Intressant, vid en snabbare kylhastighet mer, men mindre droppar förekommer. Därav, hastigheten med vilken en yttre påverkansfaktor förändras spelar en avgörande roll i strukturbildningen.

"Med vår modell, vi beskriver hur den molekylära kompositionen kan ordnas på mikroskala på en elastisk matris "sammanfattar David Zwicker, senior författare till studien och gruppledare vid MPIDS. Angående effekten av temperaturmodulation, tillägger han att "vi förväntar oss liknande beteende för biomolekylära kondensat som ofta bildas som ett svar på temperaturförändringar, pH, eller proteinkoncentration i celler. "Modellen ger grunden för att beskriva bildandet av mikroskopiska mönster i både tekniskt och biologiskt sammanhang.

Forskningen publicerades i Förfaranden från National Academy of Sciences .