De wereld in de menselijke cel is de afgelopen jaren een beetje interessanter geworden naarmate de rol van een nieuwe biologische structuur duidelijker werd.

Lange tijd werd aangenomen dat de belangrijkste operaties in de cel plaatsvinden in organellen. "Ze zijn er om bepaalde functies uit te voeren. mitochondriën genereren de energie waar alles op draait, " legde Aleksei Aksimentiev uit, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. "Wat ze allemaal gemeen hebben, is dat ze zijn omgeven door een lipidemembraan. Wat mensen onlangs hebben ontdekt, is dat er organellen zijn die geen lipidedubbellagen hebben. Ze assembleren spontaan in de vorm van druppeltjes. En die organellen hebben bepaalde functies ."

In recente jaren, met verbeterde beeldmogelijkheden, de rollen, voorkomen, en het gedrag van deze membraanloze organellen is duidelijker geworden. In 2017 kregen ze een naam:biologische condensaten. Men denkt dat ze een rol spelen bij DNA-herstel en veroudering, en onderzoekers geloven dat een aantal neurologische ziekten verband houden met het niet goed werken van het condensaat, waaronder amyotrofische laterale sclerose, of ALS, waar zenuwcellen afbreken, wat leidt tot verlies van spierfunctie.

"Laten we zeggen dat je DNA hebt en het plotseling een pauze heeft. Het is meestal een heel slechte zaak, omdat het niet kan repliceren, maar er is een machine die het zal komen repareren, " legde hij uit. "Er vormt zich een bel van condensaat die op wonderbaarlijke wijze alleen de moleculen aantrekt die nodig zijn om het DNA te herstellen. Er zijn allerlei verschillende condensaten en ze rekruteren allemaal op de een of andere manier de juiste moleculen."

Hoe ontstaan ​​deze membraanloze organellen spontaan? En hoe rekruteren ze andere moleculen om hen te helpen?

De fysica van dit proces lijkt op fasescheiding, zoals hoe olie en water spontaan druppeltjes vormen onder de juiste omstandigheden, maar met enkele verschillen. Bij normale fasescheiding, temperatuur motiveert meestal de scheiding. In de biologie, het is een verandering in concentraties.

"We weten niet precies hoe het werkt, " zei Aksimentiev. "Ik ben specifiek geïnteresseerd in hoe deze werving gebeurt, en hoe moleculen andere moleculen herkennen."

Aksimentiev gebruikt de Frontera-supercomputer in het Texas Advanced Computing Center (TACC), een van de snelste ter wereld, om dit proces beter te begrijpen. Over de afgelopen tien jaar, hij en anderen ontwikkelden de tools en methoden om het gedrag van biologische systemen op atomair niveau te onderzoeken met behulp van moleculaire dynamica-simulaties.

Aksimentiev kan biologische systemen met miljoenen op elkaar inwerkende atomen simuleren in een realistische omgeving gedurende microseconden of zelfs milliseconden - de tijdschalen waarop biologische systemen werken. Met de huidige supercomputers kunnen grotere, snellere simulaties, en laat wetenschappers toe om nieuwe vragen te stellen en te beantwoorden.

Zelfs volgens de normen van het veld, biologische condensaten zijn een uitdaging om computationeel te bestuderen. In tegenstelling tot andere geordende systemen zoals eiwitten met bekende rigide structuren, of ongeordende systemen zoals water, biologische condensaten zijn wat bekend staat als 'gedeeltelijk ongeordend' - een bijzonder moeilijk type structuur om te simuleren.

Schrijven in de Journal of Physical Chemistry Letters in mei 2020, Aksimentiev en afgestudeerde student Han-Yi Chou beschreven grofkorrelige moleculaire dynamica-simulaties op Frontera die het fasediagram (een grafische weergave van de fysieke toestanden van een stof onder verschillende temperatuur- en drukomstandigheden) van een bepaald biomoleculair condensaat - versmolten in sarcoom (FUS). Een nucleair DNA/RNA-bindend eiwit, FUS reguleert verschillende stappen van genexpressie, inclusief transcriptie, splicing en mRNA-transport. Het onderzoek werd ondersteund door subsidies van de National Science Foundation en de National Institutes of Health.

De onderzoekers toonden aan dat een op deeltjes gebaseerd moleculair dynamicamodel bekende fasescheidingseigenschappen van een FUS-condensaat kan reproduceren, inclusief de kritische concentratie en gevoeligheid voor mutaties.

Ze toonden ook aan dat ze de theorie van keteninstorting konden gebruiken om de thermodynamische eigenschappen van het condensaat te bepalen en deze te koppelen aan veranderingen in de vorm van individuele condensaatmoleculen.

Het gedrag van een biologisch condensaat, met al zijn complexe inter- en intramoleculaire interacties, kan worden beschreven door een polymeerfysisch model, ze vonden. Dit maakt computermodellering een handig hulpmiddel om het gedrag van deze nog steeds mysterieuze cellulaire actoren te ontdekken.

Aksimentiev's onderzoek vormt de basis voor toekomstige studies die de moleculaire mechanismen zullen ophelderen die de vorming van druppeltjes in complexere biologische condensaten aansturen, zoals degenen die RNA repareren. Het werk is een stap op een lange weg om het mysterie van biologische condensaten in cellen volledig op te helderen - een andere truc van de natuur die langzaam wordt ontdekt.