Organellen in cellen zijn kleine motoren die processen inkapselen waardoor de cellen kunnen leven.

Maar wetenschappers hebben onlangs ontdekt dat sommige organellen niet gebonden zijn door een membraan, en het bestuderen van deze compartimenten in bacteriën zou deuren kunnen openen om te begrijpen hoe sommige bacteriën kunnen gedijen, en hoe je anderen kunt dwarsbomen.

Over de afgelopen tien jaar, wetenschappers hebben zich gerealiseerd dat eukaryote cellen - cellen die een membraangebonden kern en organellen bevatten - ook gebruik maken van zogenaamde membraanloze organellen. Deze membraanloze organellen beperken een verscheidenheid aan processen zodat de cellen goed kunnen functioneren, zegt Anthony Vecchiarelli, assistent-professor moleculaire, cellulaire en ontwikkelingsbiologie aan de Universiteit van Michigan.

Nutsvoorzieningen, een UM-beoordeling onder leiding van afgestudeerde student Christopher Azaldegui en inclusief Vecchiarelli en Julie Biteen, universitair hoofddocent scheikunde en biofysica, laat zien hoe membraanloze organellen ook werken in bacteriële cellen. De recensie kenmerkt 10 voorbeelden van membraanloze organellen die worden aangetroffen in een verscheidenheid aan bacteriën, die kan worden gereguleerd/gevormd door een proces dat vloeistof-vloeistoffasescheiding wordt genoemd.

"Je kunt het zien als wanneer je olie met azijn mengt:ze blijven allebei vloeibaar, maar ze scheiden van elkaar, ' zei Vecchiarelli.

Vloeistofdruppels worden gevormd wanneer biomoleculen zoals eiwitten en nucleïnezuren zoals RNA zich scheiden van het cytoplasma van de cel. Deze vloeistofdruppels assembleren door zwakke interacties - ofwel eiwit-eiwit-interacties of eiwit-nucleïnezuur-interacties. Deze membraanloze organellen zijn betrokken bij een breed scala aan processen in bacteriën zoals metabolisme, chromosoom organisatie, chromosoom segregatie, celverdeling, pathogenese en DNA-replicatie, vertaling en transcriptie.

Het is belangrijk om te begrijpen hoe deze membraanloze organellen werken, omdat ze veel beter reageren dan membraangebonden organellen op veranderingen in hun omgeving, inclusief de temperatuur, de zuurgraad van het celcytoplasma of de beschikbaarheid van voedingsstoffen in de cel. Bijvoorbeeld, Azaldegui beschrijft een transporter in de bacterie tuberculose die fasescheiding kan ondergaan om de machines te assembleren die nodig zijn voor de virulentie van tuberculose. Het verstoren van die vloeistof-vloeistoffasescheiding zou de ziekteontwikkeling van de bacterie verstoren.

Met name het laboratorium van Vecchiarelli bestudeert het carboxysoom, een koolstofbindend organel dat wordt aangetroffen in cyanobacteriën (vaak blauwgroene algen genoemd), een soort bacterie die ziekte kan veroorzaken bij mensen of andere dieren die ermee in aanraking komen. Maar het carboxysoom zet koolstofdioxide uit de atmosfeer om in suiker die de cyanobacteriën gebruiken om te groeien. Cyanobacteriën die zich voeden met koolstofdioxide uit de lucht spelen een sleutelrol bij de wereldwijde koolstofvastlegging.

"Afgezien van hun vermogen om gifstoffen te produceren, cyanobacteriën zijn ook verantwoordelijk voor het vastleggen van bijna 35% van alle wereldwijde koolstof, grotendeels te danken aan het koolstofconcentrerende vermogen van het carboxysoom", zei Vecchiarelli. "Begrijpen hoe het carboxysoom koolstofdioxide uit onze atmosfeer verwijdert, speelt zeker een belangrijke rol bij het begrijpen hoe de klimaatverandering kan worden beperkt."

Wetenschappers beginnen nu pas membraanloze organellen in bacteriën te identificeren, omdat bacteriën zoveel kleiner zijn dan eukaryote cellen - in de orde van 10 tot 100 keer kleiner, zegt Azaldegui. Met deze recensie, Azaldegui hoopt een platform te bieden om membraanloze organellen in bacteriën op een meer gestandaardiseerde manier te bestuderen - in dit geval met behulp van een techniek genaamd superresolutiemicroscopie, een techniek die hij ontwikkelt in het lab van Julie Biteen.

"Door fluorescentiemicroscopie te gebruiken om de positie van één molecuul tegelijk te detecteren en nauwkeurig te bepalen, we kunnen organisatie en beweging oplossen, zelfs in bacteriële cellen. Deze benadering is vooral belangrijk omdat ze compatibel is met levende cellen, " zei Biteen, universitair hoofddocent scheikunde en biofysica.

De lasers en monstervoorbereiding zijn niet schadelijk voor de cellen, en fluorescentiebeeldvorming wordt uitgevoerd in een standaard tafelmicroscoop, in tegenstelling tot elektronenmicroscopie die een vacuümatmosfeer vereist waarin cellen niet kunnen leven.

"In het laboratorium van professor Biteen, we hebben superresolutiemicroscopiehulpmiddelen ontwikkeld die de conventionele resolutielimiet doorbreken om daadwerkelijk structuren te zien op de schaal van 10 tot 30 nanometer, " zei Azaldegui. "Ik begon na te denken over hoe deze hulpmiddelen heel nuttig zouden zijn bij het bestuderen van membraanloze organellen, en hoe ik een meer rigoureuze en kwantitatieve manier kan ontwikkelen om deze druppeltjes in bacteriën te beoordelen."