Wetenschap
Rijke moleculaire taal begeleidt de vorming van kleine vloeistofdruppels in cellen
Als je in een biologische cel tuurt, zie je een bruisende microscopische wereld. De werkpaarden binnen dit domein zijn gespecialiseerde structuren, organellen genaamd, die vitale cellulaire functies uitvoeren. Vreemd genoeg tarten sommige organellen de geaccepteerde conventie:in plaats van te zijn opgesloten in een beschermend membraan, hebben ze geen membranen en nemen ze de vorm aan van geïsoleerde vloeistofdruppeltjes. De regels die de vorming van deze druppels bepalen, een proces dat 'vloeistof-vloeistof fasescheiding' wordt genoemd, is een nieuw en veelgevraagd onderzoeksgebied.
Een team van wetenschappers van Texas A&M Engineering, de Universiteit van Delaware en Rutgers University heeft ontdekt dat aminozuren (residuen) waaruit de eiwitten in druppeltjes bestaan, op veel meer manieren met elkaar interacteren dan momenteel wordt erkend. Deze interacties, zo laten ze zien, vergemakkelijken de eiwitassemblage en uiteindelijk de vloeistof-vloeistoffasescheiding in druppeltjes.
De onderzoekers hebben hun bevindingen gepubliceerd in het tijdschrift Nature Chemistry .
Hun werk is een stap in de richting van het verbreden van het begrip van de cellulaire biologie, het ontwikkelen van behandelingen voor ziekten waarbij pathologische eiwitaggregaten betrokken zijn, zoals de ziekte van Alzheimer en Parkinson, en het creëren van nieuwe, bio-engineered zachte materialen.
De recente ontdekking van vloeistofdruppeltjes in levende cellen werd voor het eerst gedaan in de geslachtscellen van een in de bodem levende worm, Caenorhabditis elegans (C. elegans). Binnen het embryo van de worm dienen membraanloze structuren, P-korrels genoemd, essentiële reproductieve functies. Bij verder onderzoek ontdekten onderzoekers dat de P-korrels geen membranen hadden en konden druppelen, samenvloeien of oplossen, met eigenschappen die net als vloeistoffen leken. Bovendien zouden deze P-korrels hun integriteit in het geleiachtige cytoplasma kunnen behouden, net zoals oliedruppeltjes in water.
"Er vond in 2009 een fundamentele verandering plaats in het denken over cellulaire compartimentering in termen van de opkomst van druppelachtige structuren", zegt Dr. Jeetain Mittal, professor aan de Artie McFerrin Department of Chemical Engineering en senior auteur. "De meeste biologen begonnen te accepteren dat fasescheiding niet de uitzondering is, maar de regel waarmee biologische cellen andere functionele eenheden dan membraangebonden organellen in compartimenten verdelen."
Maar hoe kunnen alleen specifieke eiwitten die samen met miljoenen andere in het cytoplasma rondzwemmen, worden samengevoegd tot functionele druppeltjes? Er zijn aanwijzingen dat intrinsiek ongeordende eiwitten of eiwitten die een geordende driedimensionale structuur missen essentieel kunnen zijn bij fasescheiding. De interacties tussen ongeordende eiwitten die de fasescheiding orkestreren moeten echter nog volledig worden afgebakend.
"We hebben nog steeds geen heel duidelijk idee van welke aminozuren in de ongeordende regio's de drijvende kracht vormen voor fasescheiding", zegt Shiv Rekhi, een afgestudeerde student in het laboratorium van Mittal en hoofdauteur. "We wilden buiten de gevestigde regels treden, nog steeds fasescheiding laten zien en vervolgens kwantificeren hoe elk aminozuur aan het proces heeft bijgedragen."
Voor hun onderzoek gebruikte het team een synthetisch ongeordend eiwit met aminozuursequenties die doen denken aan natuurlijk voorkomende eiwitten. De onderzoekers creëerden vervolgens eiwitvarianten door een specifiek type aminozuur te verwijderen of toe te voegen en evalueerden of condensatie tot druppeltjes nog steeds optrad. Met hun medewerkers voerden ze microscopie- en troebelheidsexperimenten uit om de fysieke aard van de met eiwit verrijkte druppel te evalueren. Ten slotte onderzocht Rekhi met behulp van grootschalige simulaties hoe de atomaire interacties tussen de aminozuren in de eiwitsequentie zich vertaalden in de vorming van vloeistofdruppeltjes die experimenteel werden waargenomen.
"Een heersende opvatting is dat tyrosine en/of arginine nodig zijn voor fasescheiding. We hebben dat rechtstreeks getest door eiwitvarianten te maken waarbij we deze residuen verwijderden, en we kregen nog steeds fasescheiding", zei Rekhi. "Dit en vele andere soortgelijke experimenten vertelden ons dat fasescheiding kan plaatsvinden zonder veel residuen waarvan mensen denken dat ze nodig zijn."
De onderzoekers ontdekten dat op één na alle van de twaalf eiwitvarianten fasescheiding vertoonden, wat de aanwezigheid onderstreept van meerdere interacties tussen de aminozuurresten waaruit het ongeordende eiwit bestaat.
"Mensen in het veld hebben een tijdje aangenomen dat een beperkt aantal regels de vorming van druppels kan beschrijven. We hebben aangetoond dat alles in de eiwitsequentie ertoe doet", zegt Mittal. "Ons artikel stelt vast dat de moleculaire taal van fasescheiding veel rijker en complexer is."
Andere bijdragen aan het onderzoek zijn onder meer Cristobal Garcia Garcia en Dr. Kristi L. Kiick van de Universiteit van Delaware; Mayur Barai en Dr. Benjamin Schuster van Rutgers, de State University of New Jersey.