Biomedische ingenieurs aan de Duke University hebben een methode gedemonstreerd voor het regelen van de fasescheiding van een opkomende klasse van eiwitten om kunstmatige membraanloze organellen in menselijke cellen te creëren. Het voorschot, vergelijkbaar met het regelen hoe azijn druppeltjes vormt in olie, creëert mogelijkheden voor het ontwerpen van synthetische structuren om bestaande celfuncties te moduleren of geheel nieuw gedrag binnen cellen te creëren.

De resultaten verschijnen op 3 augustus online in het tijdschrift Natuurchemie .

Eiwitten functioneren door te vouwen in specifieke 3D-vormen die interageren met verschillende biomoleculaire structuren. Onderzoekers dachten eerder dat eiwitten deze vaste vormen nodig hadden om te kunnen functioneren. Maar in de laatste twee decennia, er is een grote nieuwe klasse van intrinsiek ongeordende eiwitten (IDP's) ontdekt met grote regio's die "floppy" zijn - dat wil zeggen, ze vouwen niet in een gedefinieerde 3D-vorm. Het is nu duidelijk dat deze regio's een belangrijke, voorheen niet-herkende rol bij het beheersen van verschillende cellulaire functies.

IDP's zijn ook nuttig voor biomedische toepassingen omdat ze faseovergangen kunnen ondergaan - veranderen van een vloeistof naar een gel, bijvoorbeeld, of van een oplosbare naar een onoplosbare toestand, en weer terug - als reactie op omgevingstriggers, zoals veranderingen in temperatuur. Deze kenmerken dicteren ook hun fasegedrag in cellulaire omgevingen en worden gecontroleerd door de kenmerken van de IDP's aan te passen, zoals hun molecuulgewicht of de volgorde waarin de aminozuren aan elkaar zijn gekoppeld.

"Hoewel er veel natuurlijke IDP's zijn die fasegedrag in cellen vertonen, ze zijn er in veel verschillende smaken, en het was moeilijk om de regels te onderscheiden die dit gedrag beheersen, " zei Ashutosh Chilkoti, de Alan L. Kaganov Distinguished Professor of Biomedical Engineering aan Duke. "Dit artikel biedt zeer eenvoudige technische principes om dit gedrag in een cel te programmeren."

"Anderen in het veld hebben een top-downbenadering gevolgd waarbij ze een verandering zullen aanbrengen in een natuurlijke IDP en zien hoe het gedrag ervan binnen een cel verandert, " zei Michael Dzuricky, een onderzoekswetenschapper die in het Chilkoti-laboratorium werkt en eerste auteur van de studie. "We nemen de tegenovergestelde benadering en bouwen onze eigen kunstmatige IDP's op basis van eenvoudige thermodynamische principes. Dit stelt ons en anderen in staat om een ​​enkele eigenschap nauwkeurig af te stemmen - de vorm van het IDP's-fasediagram - om beter te begrijpen hoe deze parameter biologisch gedrag beïnvloedt."

In de nieuwe krant de onderzoekers beginnen door naar de natuur te kijken voor voorbeelden van IDP's die samenkomen om "biomoleculaire condensaten" in cellen te vormen. Deze zwak bij elkaar gehouden structuren stellen cellen in staat om compartimenten te creëren zonder ook een membraan te bouwen om het in te kapselen. Met een dergelijke IDP van de gewone fruitvlieg als basis, de onderzoekers putten uit hun uitgebreide geschiedenis van het werken met ontheemden om een ​​moleculair eenvoudigere kunstmatige versie te ontwikkelen die hetzelfde gedrag behoudt.

Met deze eenvoudigere versie konden de onderzoekers nauwkeurige wijzigingen aanbrengen in het molecuulgewicht van de IDP's en aminozuren van de IDP's. De onderzoekers laten zien dat, afhankelijk van hoe deze twee variabelen worden aangepast, de IDP's komen samen om deze compartimenten bij verschillende temperaturen in een reageerbuis te vormen. En door consequent verschillende aanpassingen en temperaturen te proberen, de onderzoekers kregen een goed begrip van welke ontwerpparameters het belangrijkst zijn om het gedrag van de IDP te beheersen.

Een reageerbuis, echter, is niet hetzelfde als een levende cel, dus gingen de onderzoekers nog een stap verder om aan te tonen hoe hun gemanipuleerde IDP's zich binnen E. coli gedragen. Als voorspeld, hun kunstmatige IDP's groepeerden zich om een ​​klein druppeltje in het cytoplasma van de cel te vormen. En omdat het gedrag van de ontheemden nu zo goed werd begrepen, de onderzoekers toonden aan dat ze voorspelbaar konden bepalen hoe ze samenvloeiden met behulp van hun reageerbuisprincipes als richtlijn.

"We waren in staat om de temperatuur in cellen te veranderen om een ​​volledige beschrijving van hun fasegedrag te ontwikkelen, die onze reageerbuisvoorspellingen weerspiegelde, "zei Dzuricky. "Op dit punt, we waren in staat om verschillende kunstmatige IDP-systemen te ontwerpen waarbij de gevormde druppeltjes verschillende materiaaleigenschappen hebben."

In andere woorden, omdat de onderzoekers begrepen hoe ze de grootte en samenstelling van de IDP's konden manipuleren om op temperatuur te reageren, ze zouden de IDP's kunnen programmeren om druppeltjes of compartimenten met verschillende dichtheden in cellen te vormen. Om te laten zien hoe dit vermogen nuttig kan zijn voor biomedische ingenieurs, de onderzoekers gebruikten vervolgens hun nieuwe kennis, zoals de natuur vaak doet, om een ​​organel te creëren dat een specifieke functie in een cel vervult.

De onderzoekers toonden aan dat ze de IDP's konden gebruiken om een ​​enzym in te kapselen om het activiteitsniveau te regelen. Door het molecuulgewicht van de IDP's te variëren, de IDP's houden het enzym vast, verhoogd of verlaagd, wat op zijn beurt van invloed was op hoeveel het kon interageren met de rest van de cel.

Om dit vermogen te demonstreren, de onderzoekers kozen voor een enzym dat door E. coli wordt gebruikt om lactose om te zetten in bruikbare suikers. Echter, in dit geval, de onderzoekers volgden de activiteit van dit enzym met een fluorescerende reporter in realtime om te bepalen hoe het gemanipuleerde IDP-organel de enzymactiviteit beïnvloedde.

In de toekomst, de onderzoekers denken dat ze hun nieuwe IDP-organellen kunnen gebruiken om de activiteitsniveaus van biomoleculen die belangrijk zijn voor ziektetoestanden te beheersen. Of om te leren hoe natuurlijke ontheemden vergelijkbare cellulaire rollen vervullen en om te begrijpen hoe en waarom ze soms slecht functioneren.

"Dit is de eerste keer dat iemand precies heeft kunnen definiëren hoe de eiwitsequentie het fasescheidingsgedrag in cellen regelt, " zei Dzuricky. "We gebruikten een kunstmatig systeem, maar we denken dat dezelfde regels van toepassing zijn op natuurlijke ontheemden en zijn verheugd om deze theorie te gaan testen."

"We kunnen nu ook beginnen met het programmeren van dit type fasegedrag met elk eiwit in een cel door ze te fuseren met deze kunstmatige IDP's, " zei Chilkoti. "We hopen dat deze kunstmatige ontheemden een nieuw hulpmiddel zullen bieden voor synthetische biologie om celgedrag te controleren."