Nieuw onderzoek kan helpen een intrigerend fenomeen in menselijke cellen te verklaren:hoe muurloze vloeibare organellen naast elkaar kunnen bestaan ​​als afzonderlijke entiteiten in plaats van alleen maar samen te smelten.

Deze structuren, zogenaamde membraanloze organellen (MLO's), zijn vloeibare druppeltjes gemaakt van eiwitten en RNA, waarbij elke druppel beide materialen vasthoudt. De organellen spelen een cruciale rol bij het organiseren van de interne inhoud van cellen, en kan dienen als een centrum van biochemische activiteit, rekruteren van moleculen die nodig zijn om essentiële cellulaire reacties uit te voeren.

Maar hoe verschillende druppeltjes uit elkaar blijven, blijft een raadsel. Waarom combineren ze niet altijd om grotere druppels te vormen?

"Deze organellen hebben geen membraan, en daarom, gemeenschappelijke intuïtie zou je vertellen dat ze vrij zijn om te mengen, " zegt Priya Banerjee, doctoraat, assistent-professor natuurkunde aan de universiteit van Buffalo College of Arts and Sciences.

Banerjee is de hoofdonderzoeker van de nieuwe studie, die onderzoekt waarom dit niet gebeurt.

Co-auteurs van het onderzoek zijn onder meer eerste auteur en Ph.D. student Ibraheem Alshareedah; natuurkunde Ph.D. student Taranpreet Kaur; niet-gegradueerde Jason Ngo; bachelor natuurkunde en wiskunde Hannah Seppala; bachelor biomedische technologie Liz-Audrey Djomnang Kounatse; en natuurkunde postdoctorale onderzoekers Wei Wang en Mahdi Moosa. Ze zijn allemaal van UB.

Druppels vermengen zich niet gemakkelijk als ze een gelachtige toestand aannemen

De resultaten - gepubliceerd op 22 augustus in de Tijdschrift van de American Chemical Society - wijzen op de chemische structuur van eiwit- en RNA-moleculen in de druppeltjes als een sleutelfactor die kan voorkomen dat MLO's zich vermengen.

Het team ontdekte dat bepaalde soorten RNA en eiwitten "kleveriger" zijn dan andere, waardoor ze gelatineuze druppeltjes kunnen vormen die niet gemakkelijk versmelten met andere druppeltjes in dezelfde visco-elastische toestand. specifiek, druppeltjes zijn eerder gelachtig als ze RNA-moleculen bevatten die rijk zijn aan een bouwsteen die purine wordt genoemd, en eiwitten die rijk zijn aan een aminozuur dat arginine wordt genoemd.

De experimenten vonden niet plaats in cellen. In plaats daarvan, de bevindingen waren gebaseerd op tests die zijn uitgevoerd op modelsystemen die bestaan ​​uit RNA en een druppelvormend eiwit genaamd fused in sarcoma (FUS) dat in een bufferoplossing drijft.

Een van de redenen waarom FUS voor onderzoekers interessant is, is de mogelijke connectie met de neurodegeneratieve ziekte amyotrofische laterale sclerose (ALS). Zoals Banerjee uitlegt, argininerijke eiwitmoleculen worden geassocieerd met een veel voorkomende vorm van de ziekte, bekend als c9orf72-gemedieerde ALS.

"Onze bevinding wijst op een speciale rol van arginine-rijke eiwitten bij het bepalen van de materiële toestand - vloeistof versus gel - van membraanloze organellen, Banerjee zegt. "Deze studie kan belangrijk zijn om te begrijpen hoe ALS-gekoppelde argininerijke eiwitten de visco-elastische toestand van RNA-rijke MLO's kunnen veranderen."

Naast het verschaffen van inzicht in waarom MLO's bestand zijn tegen mengen (vanwege verbeterde visco-elasticiteit), de studie onderzocht de rol van RNA bij de vorming en oplossing van vloeibare organellen die FUS bevatten. Uit het onderzoek bleek dat voor het type druppel dat wordt bestudeerd, het toevoegen van lage concentraties RNA aan een oplossing die de eiwitten bevat, veroorzaakte de vorming van druppeltjes. Maar naarmate er meer RNA werd toegevoegd, de druppeltjes losten dan op.

"Er is meestal een heel klein venster waar deze druppels zich bevinden, maar het venster is aanzienlijk groter voor argininerijke eiwitten, ' zegt Banerjee.

Het gecompliceerde leven van vloeibare organellen

Het nieuwe artikel is het laatste in een reeks onderzoeken die de groep van Banerjee heeft uitgevoerd om de krachten te onderzoeken die de schepping beheersen, onderhoud en ontbinding van MLO's.

Hoewel het team modelsystemen gebruikt om individuele eigenschappen van de druppeltjes te onderzoeken, het is waarschijnlijk dat veel krachten in een cel samenwerken om het gedrag en de functie van de organellen te bepalen, hij zegt. Er kunnen meerdere andere mechanismen zijn, bijvoorbeeld, die ervoor zorgen dat MLO's een gelatineuze toestand aannemen of anderszins weigeren te mengen.

"Cellen zijn enorm complex, met veel verschillende moleculen die verschillende processen ondergaan die tegelijkertijd samenkomen om te beïnvloeden wat er binnen MLO's gebeurt, " zegt Banerjee. "Door modelsystemen te gebruiken, we zijn in staat om beter te begrijpen hoe een bepaalde variabele de vorming en ontbinding van deze organellen kan beïnvloeden. En we verwachten diezelfde krachten in de natuur te zien spelen, binnen cellen."