In elke levende cel, er zijn minuscule structuren die membraanloze organellen worden genoemd. Deze kleine krachtpatsers gebruiken chemie om de innerlijke werking van een celbeweging, verdeeldheid en zelfs zelfvernietiging.

Een samenwerking tussen ingenieurs van Princeton University en Washington University in St. Louis heeft een nieuwe manier ontwikkeld om de innerlijke werking en materiële structuur van deze uiterst belangrijke organellen te observeren. Het onderzoek, vandaag gepubliceerd in Natuurchemie , kan leiden tot tal van nieuwe wetenschappelijke toepassingen, en een beter begrip van ziekten zoals kanker, Huntington en ALS.

"Ze zijn als kleine waterdruppels:ze stromen, ze hebben alle eigenschappen van een vloeistof, vergelijkbaar met regendruppels, " zei Rohit Pappu, de Edwin H. Murty Professor of Engineering aan de School of Engineering &Applied Science van de Washington University. "Echter, deze druppeltjes bestaan ​​uit eiwitten die samenkomen met RNA (ribonucleïne) moleculen."

Vroeger, turen in organellen is moeilijk gebleken, vanwege hun kleine formaat. Clifford Brangwynne, universitair hoofddocent chemische en biologische technologie aan Princeton's School of Engineering and Applied Science, en zijn medewerkers, ontwikkelde een nieuwe techniek - ultrasnelle scanning fluorescentiecorrelatiespectroscopie of usFCS genaamd - om de concentraties binnenin nauwkeurig te beoordelen en de porositeit van facsimile's van membraanloze organellen te onderzoeken. De aanpak maakt gebruik van geluidsgolven om het vermogen van een microscoop om te bewegen te regelen en vervolgens kalibratievrije metingen van concentraties in membraanloze organellen te verkrijgen.

In hun onderzoek hebben Brangwynne en zijn team, waaronder postdoctorale onderzoekers Ming-Tzo Wei en Shana Elbaum-Garfinkle, gebruikte cellen uit een rondworm. Bij onsFCS, ze waren in staat om eiwitconcentraties te meten in organellen gevormd door het specifieke eiwit, LAF-1. Dit eiwit is verantwoordelijk voor de productie van p-korrels, dit zijn eiwitassemblages die verantwoordelijk zijn voor het polariseren van een cel voorafgaand aan deling. Toen de Princeton-onderzoekers eenmaal duidelijk in de organellen konden kijken en de LAF-1 konden bekijken, wat ze vonden verraste hen.

"We ontdekten dat in plaats van dicht opeengepakte druppels, deze zijn zeer lage dichtheid, doorlatende structuren, "Zei Brangwynne. "Het was niet het verwachte resultaat."

Op dat moment probeerden Pappu van de Washington University en zijn afgestudeerde onderzoeksassistent Alex Holehouse de verrassende bevindingen van de Princeton-groep te begrijpen. Pappu's lab is gespecialiseerd in polymeerfysica en modellering van membraanloze organellen.

"We waren in staat om in principe in de organellen te zwemmen om te bepalen hoeveel ruimte er daadwerkelijk beschikbaar is. Hoewel we een druk zwembad verwachtten, we vonden er een met veel ruimte, en water. We beginnen ons te realiseren dat deze druppels niet allemaal hetzelfde zullen zijn, ' zei Pappie.

In het geval van de LAF-1-organellen, de onderzoekers ontdekten dat de vorming van ultra-verdunde druppeltjes voortkomt uit informatie die is gecodeerd in de intrinsiek ongeordende gebieden van deze eiwitsequenties. De kenmerken van die sequentie zorgen ervoor dat dit eiwit een zeer slap molecuul is, eerder als gekookte spaghetti, zonder de mogelijkheid om te vouwen in een specifieke, goed gedefinieerde structuur. In tegenstelling tot, in andere organellen gevormd door verschillende eiwitten, de materiaaleigenschappen lijken meer op die van tandpasta of ketchup. Brangwynne en Pappu blijven samenwerken om erachter te komen hoe verschillende eiwitsequenties coderen voor het vermogen om druppeltjes te vormen met zeer verschillende materiaaleigenschappen. Dit werk heeft directe implicaties voor het begrijpen van biologische functies van membraanloze organellen en voor het begrijpen hoe veranderingen in deze materiaaleigenschappen aanleiding geven tot ziekten zoals neurodegeneratie of kankers.

"Er is een explosie van technische toepassingen en transformaties voor mechanistische celbiologie die aan de horizon liggen. Deze vooruitgang zal toegankelijk worden naarmate we meer leren over de basis van deze organellen en hoe hun aminozuursequentie de materiaaleigenschappen en functie bepaalt, Pappu zei. "Deze organellen doen opmerkelijke dingen in cellen, en een heel nette vraag is:hoe kunnen we ze nabootsen?"

Pappu zegt op een dag, onderzoekers zouden de ontwerpprincipes van organellen kunnen hacken om alles te vormen, van intracellulaire chemielaboratoria tot kleine voertuigen voor medicijnafgifte en beeldvormingsmiddelen. Naast de praktische toepassingen, er zijn ook mogelijke implicaties voor het begrijpen en diagnosticeren van een hele reeks ziekten.

"Het is essentieel om te kunnen begrijpen hoe men de functies van deze druppeltjes kan reguleren, ' zei Pappu. 'Als het ons lukt, de impact kan transformerend zijn:het is niet alleen kanker, het is neurodegeneratie, over ontwikkelingsstoornissen, en zelfs de fundamenten van celbiologie."