Een paar suikers, een scheutje enzymen, een snufje zout, een scheutje polyethyleenglycol, zorgvuldig gerangschikt in waterige baden. En onderzoekers hadden een synthetisch organel gemaakt, die ze in een nieuwe studie gebruikten om een ​​​​vreemde cellulaire biochemie te onderzoeken.

De onderzoekers van het Georgia Institute of Technology maakten de chemische medley in het laboratorium om membraanloze organellen nauw na te bootsen, mini-organen in cellen die zich niet in een membraan bevinden maar bestaan ​​als poelen van waterige oplossingen. En hun model toonde aan hoe, met slechts een paar ingrediënten, de organellen zouden verfijnde biologische processen kunnen uitvoeren.

De onderzoekers publiceerden de resultaten van hun onderzoek in het tijdschrift ACS toegepaste materialen en interfaces voor 26 sept. uitgave 2018. Het onderzoek werd gefinancierd door het National Institutes of Health's National Institute of General Medical Science en door de National Science Foundation.

Een snelle blik op membraanloze organellen zou moeten helpen om de betekenis van het onderzoek te begrijpen.

Wat zijn membraanloze organellen?

De ontdekking van organellen die poelen van waterige oplossingen zijn en geen objecten met membranen is vrij recent. Een goed voorbeeld is de nucleolus. Het bevindt zich in de celkern, dat is een organel dat wel een membraan heeft.

Vroeger, onderzoekers dachten dat de nucleolus tijdens de celdeling verdween en later weer verscheen. Ondertussen, onderzoekers hebben zich gerealiseerd dat de nucleolus geen membraan heeft en dat deze tijdens de celdeling diffuus wordt zoals waterbellen dat doen in vinaigrettedressing die is geschud.

"Na de celdeling, de nucleolus komt weer samen als een enkel compartiment van vloeistof, " zei Shuichi Takayama, de hoofdonderzoeker van de studie en een professor in de Wallace E. Coulter Department of Biomedical Engineering aan Georgia Tech en Emory University.

Membraanloze organellen kunnen bestaan ​​uit een paar verschillende waterige oplossingen, elk met verschillende opgeloste stoffen zoals eiwitten of suiker of RNA of zout. Verschillen in de thermodynamica van de oplossingen, dat is, hoe hun moleculen rondstuiteren, voorkomen dat ze samensmelten tot één enkele oplossing.

In plaats daarvan, ze scheiden in fasen zoals olie en water dat doen, zelfs na vermenging. Maar in dit geval is er geen olie.

"Het zijn allemaal wateren, "Zei Takayama. "Ze mengen zich gewoon niet met elkaar omdat ze verschillende opgeloste stoffen hebben."

Welke levensechte processen toonde het synthetische experiment aan?

Tijdens het vermengen, belangrijke dingen gebeuren. de nucleolus, bijvoorbeeld, is essentieel voor DNA-transcriptie. Maar de synthetische opstelling, een verzameling waterige oplossingen gemaakt door de eerste auteur van de studie, Taisuke Kojima, voerde een eenvoudigere reeks reacties uit die aantoonden hoe de membraanloze organellen de suikerverwerking konden stimuleren.

"We hadden drie fasen van oplossingen die elk verschillende reactanten bevatten, " zei Kojima. "Het was als een bal met drie lagen:een buitenste oplossing, een tussenoplossing, en een kernoplossing. Glucose zat in de buitenste laag; een enzym, glucose-oxidase, zat in de tweede laag, en mierikswortelperoxidase bevond zich in de kern samen met een colorimetrisch substraat dat ons een zichtbaar signaal gaf wanneer de laatste reactie waarnaar we op zoek waren, plaatsvond."

De glucose in de buitenste laag vormt een interface met de glucose-oxidase in de tweede laag, die de glucose katalyseerde tot waterstofperoxide. Het landde in de tweede laag en kwam in contact met de mierikswortelperoxidase in de kernlaag, die het in de kernlaag katalyseerde, samen met die verbinding die kleuren verandert.

"Dit type trapsgewijze reactie is wat je zou verwachten om membraanloze organellen te zien presteren, ' zei Takayama.

De cascade transporteerde zelfs elk reactieproduct van het ene compartiment naar het andere, iets heel typisch in biologische processen, zoals organen die voedsel verteren of een organel dat moleculen verwerkt.

Wat kan een verrassende ontdekking ons leren?

Een deel van de reactie verraste de onderzoekers, en het resulteerde in een nieuwe ontdekking.

"Als onderzoekers denken aan membraanloze organellen, we denken vaak dat de reacties binnenin efficiënter zijn als hun enzymen en substraten zich in hetzelfde compartiment bevinden, "Zei Takayama. "Maar in onze experimenten, dat vertraagde de reactie juist. We zeiden, 'Ho, wat is hier aan de hand?'"

"Als het substraat zich op dezelfde plaats bevindt waar het product van de reactie zich ook ophoopt, het enzym raakt soms in de war, en dat kan de reactie belemmeren, " zei Kojima, die een postdoctoraal onderzoeker is in het laboratorium van Takayama. "Ik was behoorlijk verrast om het te zien."

Kojima stopte de enzymen en het substraat in aparte oplossingen, die een interface vormde maar niet samensmolt tot een enkele oplossing, en de reactie in zijn synthetische organel werkte efficiënt. Dit toonde aan hoe onverwachte subtiliteiten de organelchemie kunnen verfijnen.

"Het was een Goudlokje-regime, niet te veel contact tussen substraat en enzym, niet te weinig, precies goed, ' zei Takayama.

"Soms, in een cel, een substraat is niet overvloedig en moet mogelijk worden geconcentreerd in zijn eigen kleine compartiment en vervolgens in contact worden gebracht met het enzym, "Zei Takayama. "Daarentegen, sommige substraten kunnen zeer overvloedig aanwezig zijn in de kern, en het kan belangrijk zijn om ze af te scheiden van enzymen om net genoeg contact te krijgen voor de juiste soort reactie."