Een opkomend veld onderzoekt hoe groepen moleculen samen condenseren in cellen, zoals oliedruppels zich samenvoegen en scheiden van water in een vinaigrette.

In menselijke cellen vindt "vloeistof-vloeistoffasescheiding" plaats omdat vergelijkbare, grote moleculen samenklonteren tot dichte druppeltjes die gescheiden zijn van de meer verdunde delen van het inwendige van de vloeistofcel. Eerder werk had gesuggereerd dat evolutie de natuurlijke vorming van deze "condensaten" gebruikte om cellen te organiseren, bijvoorbeeld door geïsoleerde ruimtes te creëren voor het bouwen van cellulaire machines.

Bovendien zijn in de cellen van patiënten met neurodegeneratieve aandoeningen, waaronder de ziekte van Alzheimer, bijna altijd abnormale, gecondenseerde - ook wel "verwarde" groepen moleculen in druppeltjes aanwezig. Hoewel niemand weet waarom dergelijke condensaten zich vormen, stelt een nieuwe theorie dat de biofysische eigenschappen van celinterieurs veranderen naarmate mensen ouder worden - deels aangedreven door "moleculaire crowding" die meer moleculen in dezelfde ruimtes verpakt om fasescheiding te beïnvloeden.

Onderzoekers vergelijken condensaten met microprocessors, computers die in circuits zijn ingebouwd, omdat ze zowel reacties herkennen als berekenen op basis van binnenkomende informatie. Ondanks de vermoedelijke impact van fysieke veranderingen op vloeistofprocessors, heeft het veld moeite om de mechanismen te verduidelijken die fasescheiding, condensaatvorming en berekening verbinden op basis van chemische signalen, die op veel kleinere schaal voorkomen, aldus onderzoekers. Dit komt omdat natuurlijke condensaten zoveel functies hebben dat experimenten moeite hebben om ze af te bakenen.

Om deze uitdaging aan te gaan, hebben onderzoekers van de NYU Grossman School of Medicine en het Duitse Centrum voor Neurodegeneratieve Ziekten een kunstmatig systeem gebouwd dat onthulde hoe de vorming van condensaten de actie op moleculair niveau verandert van enzymen die kinasen worden genoemd, een voorbeeld van chemische berekening. Kinasen zijn eiwitschakelaars die cellulaire processen beïnvloeden door fosforylering - het hechten van een molecuul dat een fosfaatgroep wordt genoemd - aan doelwitmoleculen.

De nieuwe analyse, online gepubliceerd op 14 september in Molecular Cell, ontdekte dat de vorming van kunstmatige condensaten tijdens fasescheiding meer "plakkerige" regio's bood waar medisch belangrijke kinasen en hun doelen zouden kunnen interageren en fosforyleringssignalen kunnen veroorzaken.

"Onze onderzoeksresultaten laten zien dat fysieke veranderingen zoals crowding condensaatvorming kunnen veroorzaken die wordt omgezet in biochemische signalen, alsof condensaten squishy computers zijn", zegt hoofdonderzoeksauteur Liam Holt, Ph.D., universitair hoofddocent in het Institute for Systems Genetics aan NYU Langone Health.

Onder de studiekinasen waarvan werd gezien dat ze actiever waren in een drukke, gecondenseerde omgeving, was Cyclin Dependent Kinase 2, waarvan bekend is dat het het microtubule-bindende eiwit Tau fosforyleert. Verwarde condensaten van Tau worden vaak aangetroffen in de hersencellen van patiënten met de ziekte van Alzheimer.

"Onze experimenten suggereren dat de vorming van meer Tau-condensaten meer Tau-fosforylering stimuleert", voegt Holt, ook faculteit van de afdeling Biochemie en Moleculaire Farmacologie, toe. "Of deze mechanismen leiden tot meer hersenceldood, en of het omkeren ervan een nieuwe behandelaanpak zou kunnen zijn, zullen belangrijke vragen zijn in ons komende werk."

In het bijzonder bleek uit de studie dat wanneer Tau en cyclineafhankelijke kinase samen condenseerden tot dichte druppeltjes, er een drievoudige versnelling was van een fosforylering op een groep locaties op Tau (de AT8-epitoop) die verband houden met de ziekte van Alzheimer.

Een biosensor ontwerpen

Bij het zoeken naar bruikbare versies van deze computers, testte het onderzoeksteam verschillende kunstmatige condensaten, waarbij verschillende scaffold-moleculen werden gesynthetiseerd om te zien welke het best getrokken monsterkinasen - MAPK3, Fus3 en cycline-afhankelijke kinase 1 (Cdk1) - samen met hun doelen om te verhogen signalering. Condensaten vormen zich als scaffold-moleculen in druppeltjes in elkaar grijpen. Het team ontdekte dat, in hun model, het verzamelen van grote biomoleculen in druppeltjes in eencellige levende organismen, gist genaamd, de fosforyleringsreacties honderden keren sneller maakte.

De studie vond ook dat condensaatvorming de opgenomen kinasen meer soorten moleculen liet fosforyleren, en zonder de aanwezigheid van de moleculaire vormen die gewoonlijk vereist zijn. Dit suggereert dat condensaten in overvolle cellen veranderde berekeningstypes creëren, sommige mogelijk ziektegerelateerd.

In de toekomst wil het onderzoeksteam voortbouwen op een eerdere studie in het laboratorium van Holt, waaruit bleek dat een eiwitcomplex genaamd mTORC1 moleculaire crowding regelt door het aantal ribosomen te bepalen, "machines" die andere grote eiwitten in cellen bouwen. Het team is van plan te onderzoeken of verbindingen waarvan bekend is dat ze mTORC1 remmen, crowding en Tau-fosforylering kunnen verminderen.

Ten slotte hopen de onderzoekers ook dat hun bevindingen het ontwerp bevorderen van andere cellulaire computers die reageren op fysieke krachten. Dit kan de introductie van gemanipuleerde processors in immuuncellen omvatten die - om kankercellen aan te vallen - zouden worden ingeschakeld terwijl ze probeerden in weefsel te persen dat dicht was gemaakt door groeiende tumoren. + Verder verkennen

Fasegescheiden eiwitachtige lijmen als zelforganizer van microfilamentnetwerken