Cellen - de bouwstenen van ons lichaam - zijn ingekapseld door membranen. Hetzelfde geldt voor de gespecialiseerde compartimenten in onze cellen.

Deze membranen zijn extreem dun, vette films, met eiwitten en vetmoleculen die lipiden worden genoemd. Al decenia, wetenschappers hebben gedebatteerd over hoe celmembranen verschillende regio's organiseren en onderhouden die zijn verrijkt met bepaalde soorten eiwitten en lipiden. Van deze regio's wordt gedacht dat ze cellulaire activiteiten beïnvloeden, zoals de signalering die zowel de normale celgroei als de groei van kankercellen regelt.

In een paper gepubliceerd op 5 december in de Biofysisch tijdschrift , wetenschappers van de Universiteit van Washington laten voor het eerst zien dat de complexe verdeling van moleculen binnen een membraan van een levende gistcel ontstaat door ontmenging. Ook bekend als fasescheiding, ontmengen is een eenvoudig fysiek proces dat vergelijkbaar is met de actie die ervoor zorgt dat druppeltjes olie zich scheiden van azijn in een saladedressing.

"Cellen hebben een gereedschapskist met een verscheidenheid aan middelen om hen te helpen een verscheidenheid aan taken uit te voeren, " zei senior auteur Sarah Keller, een UW hoogleraar scheikunde. "Door samen te werken met Alex Merz, een UW hoogleraar biochemie en een gistexpert, we hebben aangetoond dat fasescheiding een van die hulpmiddelen is om membranen en hun functies binnen een levend systeem te vormen."

De UW-onderzoekers lieten zich inspireren door foto's van een genetisch gemanipuleerde giststam waarin membraaneiwitten fluorescerend gloeiden. De eiwitten lichten intracellulair op, membraangebonden compartimenten die vacuolen worden genoemd. De vacuolen zagen eruit als groene miniatuurballen met een patroon van donkere stippen. Die stippen, de onderzoekers beseften, leek bijna identiek aan membraangebieden die ontstaan ​​door fasescheiding in twee soorten niet-levende systemen:eenvoudig, kunstmatige membranen die in een laboratorium zijn gemaakt en membranen die onder zware stress uit cellen worden afgestoten.

"De membranen van levende systemen bevatten veel verschillende soorten vetten, eiwitten en andere moleculen, " zei co-hoofdauteur Scott Rayermann, een docent aan UW Tacoma die dit onderzoek deed toen hij promovendus scheikunde aan de UW was. "Elk van deze soorten moleculen herbergt verschillende fysische en chemische eigenschappen met het potentieel om de eigenschappen van het membraan als geheel te beïnvloeden. Wij en andere groepen hebben de hypothese geopperd dat deze verscheidenheid aan moleculen membranen in staat zou stellen om door samenstelling in afzonderlijke regio's te scheiden. "

Eerst, het team ontdekte dat de stippen die op vacuolemembranen verschijnen snel kunnen samenvloeien. Dit gedrag is consistent met vloeibare fasen, net zoals druppeltjes in een recent geschudde olie- en azijnsaladedressing snel samenvloeien wanneer ze botsen. Volgende, het team ontdekte dat fasescheiding in de membranen van gistvacuolen afhankelijk is van de temperatuur. Toen de onderzoekers de gist opwarmden tot boven 90 graden Fahrenheit, de twee vloeibare fasen versmolten tot één - de stippen verdwenen. Terwijl de gistcellen werden afgekoeld tot kamertemperatuur, de fasegescheiden gebieden verschenen weer.

"Wetenschappers hadden nooit eerder aangetoond dat fasegescheiden vloeistoffen naast elkaar kunnen bestaan ​​in de membranen van levende cellen, " zei mede-hoofdauteur Glennis Rayermann, een UW-promovendus in de chemie. "Om aan te tonen dat fasescheiding optreedt, we moesten de verdeling van eiwitten binnen membranen betrouwbaar volgen, laten zien dat ze regio's vormden zoals in kunstmatige systemen en dat deze regio's zouden fuseren als reactie op veranderende omgevingsomstandigheden."

Nu de onderzoekers hebben aangetoond dat levende membranen fasescheiding kunnen ondergaan, toekomstig werk is nodig om te laten zien hoe cellen fasescheiding reguleren. Dit kan zijn door de werking van genen, omgevingsomstandigheden of een combinatie van factoren.

"Onze bevinding dat fasescheiding de membraanorganisatie in gist kan stimuleren, suggereert dat vergelijkbare processen in andere cellen kunnen werken, inclusief menselijke cellen, "zei Merz. "Nogmaals, zien we de kracht van modelsystemen zoals gist, fruitvliegen en wormen in onze verkenning van fundamentele fysiologie. UW loopt al meer dan 60 jaar voorop in gistgenetica en celbiologie."

"Er is hier een ongelooflijk potentieel om te ontsluiten hoe verschillende soorten cellen unieke structuren vormen en behouden - en hoe verschillende structuren zelfs binnen dezelfde cel worden gevormd, ' zei Keller.