Cellen produceren veel verschillende complexen. Deze complexen kunnen 40% van het celvolume innemen, waardoor de cel een behoorlijk drukke omgeving is. Om die reden is een volledige beschrijving van complex cellulair gedrag een uitdaging die diepgaander onderzoek vereist. Om de overvolle aard van de cel na te bootsen, passen onderzoekers gewoonlijk chemisch inerte moleculen toe, zoals niet-ionische polymeren, om oplossingen te maken die als obstakels werken voor biologisch actieve moleculen terwijl ze reageren. Deze inerte verbindingen zijn echter niet zo inert als ze zouden moeten zijn. Het bleek dat ze de neiging hebben om ionen te "stelen" en dat was nogal een probleem voor de onderzoekers. Zelfs een kleine verandering van de ionenconcentratie in de cel kan biochemische reacties drastisch beïnvloeden. Onlangs hebben wetenschappers van het Instituut voor Fysische Chemie, de Poolse Academie van Wetenschappen, onder leiding van prof. Robert Holyst, presenteerde onderzoek dat ons dichter bij het begrip brengt van tot 1000-voudige veranderingen in de evenwichtsconstanten van de vorming van biochemische complexen die optreden in een zeer drukke omgeving.

Ons lichaam is gemaakt van vele complexe structuren die samenwerken. Het bevat biljoenen cellen - essentiële bouwstenen - en elk ervan is gespecialiseerd in een andere functie. Hun interne mechanismen zijn nog niet volledig begrepen, vooral als het gaat om de specifieke interacties tussen bepaalde moleculen. Bovendien is het mechanisme afhankelijk van de ionenconcentratie in een bepaald gebied in de cel. Omdat ons lichaam elke seconde miljarden van dergelijke operaties uitvoert, merken we ze niet eens op. Biochemische reacties die in een cel plaatsvinden, zijn vaak afhankelijk van de ionsterkte die de ionenconcentratie in een bepaald deel van de cel bepaalt. Daarom kan de balans van de vorming van veel biochemische complexen (bijvoorbeeld eiwit-eiwit, eiwit-RNA-complexen of de vorming van een dubbele DNA-streng) aanzienlijk veranderen, afhankelijk van de ionsterkte. Bovendien heeft het drukke karakter van de cel ook invloed op dergelijke chemische processen.

Laten we het cytoplasma in de cel eens nader bekijken. Het kan worden vergeleken met een zwembad vol componenten van verschillende groottes en vormen. Naast water bevat cytoplasma ook ribosomen, kleine moleculen, eiwitten of eiwit-RNA-complexen, filamenteuze cytoskeletcomponenten, ionen en cellulaire compartimenten (bijvoorbeeld mitochondriën, lysosomen, kern enz.). Dit maakt het cytoplasma een vrij complexe en drukke omgeving. In dergelijke omstandigheden kan elke parameter, zoals ionsterkte of pH, de biologie van levende cellen aanzienlijk beïnvloeden. Een van de mechanismen die de juiste balans van ionen in de cel in stand houden, zijn natrium-kaliumpompen die in de biologische membranen van levende menselijke cellen worden geplaatst. Ze reguleren constant het ionenniveau in elke cel.

Klassieke benaderingen voor de bepaling van de cellulaire mechanismen zijn vaak gebaseerd op metingen die worden uitgevoerd in een kunstmatige omgeving met het gebruik van vele chemische verbindingen die het inwendige van de cellen nabootsen. Onderzoek naar het exacte verloop van cellulaire mechanismen onderscheidt zich tot nu toe sterk van de processen die van nature plaatsvinden, vooral als het gaat om interacties tussen macromoleculen. Onderzoek naar de biochemische complexeringsprocessen is een uitdaging, vooral in de externe omstandigheden waar de ionen die aanwezig zijn in de gebruikte oplossingen ook de uiteindelijke experimentele resultaten beïnvloeden. Om de drukke cellulaire omgeving na te bootsen, werden veel verschillende ketenachtige moleculen zoals polyethyleen en ethyleenglycol, glycerol, ficoll en dextranen gebruikt in hoge concentraties (zelfs bij 40-50% massa van de oplossing) om als viskeuze media te dienen. Waarom zijn ze zo populair? Vanwege hun inerte aard. Recente studies tonen echter aan dat deze woning toch iets anders is dan we denken. Verrassend genoeg kunnen ze ionen "stelen" tijdens biochemische reacties.

Onderzoekers van het Instituut voor Fysische Chemie, de Poolse Academie van Wetenschappen onder leiding van professor Robert Holyst, presenteerden een nieuwe benadering op dit gebied. Ze onderzochten de hybridisatie van het DNA. Omdat deze complexe reactie gevoelig is voor de concentratie van ionen als gevolg van het opladen van dubbele helixstrengen in bepaalde omgevingen, werd het een goede indicator voor dit experiment gekozen. Op basis van dat model onderzochten de onderzoekers de complexering van bepaalde ionen zoals natrium Na ⁺ in de aanwezigheid van verschillende moleculen met behoud van een drukke omgeving. Ze veranderden ook de viscositeit van de oplossing door moleculen te gebruiken die de verdringing vergroten.

"We hebben een complexe biochemische reactie onderzocht in functie van de ionsterkte die de ionenconcentratie in de oplossing beschrijft en de effectieve elektrostatische afstotingsafstand tussen bepaalde moleculen", merkt eerste auteur Krzysztof Bielec op.

De uitgevoerde experimenten hebben aangetoond dat de interacties tussen de moleculen versterkt worden bij een hogere zoutconcentratie. Bovendien beïnvloedt de toevoeging van polymeren die de moleculaire crowding en de viscositeit aan de reactieomgeving verhogen ook de dynamiek van biochemische processen, waardoor de vorming van complexen wordt belemmerd. In een drukke omgeving kan de complexering zelfs 1000 keer minder gunstig zijn dan in pure buffer. Deze resultaten laten zien dat de biochemische reacties zelfs bij kleine veranderingen in de experimentele omstandigheden kunnen worden verstoord.

Krzysztof Bielec beweert dat "de vorming van een dubbelstrengs DNA-skelet gebaseerd is op elektrostatische interactie tussen twee complementaire, negatief geladen strengen. We hebben het effect van de drukke omgeving op de hybridisatie van complementaire strengen in het nanomolaire biochemische concentratieregime gevolgd, en vervolgens , bepaalden we de complexering van natriumionen door crowders.Vervolgens bepaalden we de complexering van natriumionen afhankelijk van de crowding-omgeving.De bindingsplaats voor kation binnen de crowder-structuur kan zelfs verschillen tussen crowders van dezelfde bindende groep (functionele groep).Daarom, we hebben de interactie met crowder berekend per molecuul of monomeer (in het geval van polymeren). Dit model vereenvoudigt de interacties tussen ionen en crowder-moleculen."

Tot verbazing van de onderzoekers bleek dat algemeen beschouwde niet-reactieve niet-ionische polymeren die worden gebruikt om cytoplasmatische omstandigheden na te bootsen, de ionen die nodig zijn voor effectieve DNA-hybridisatie kunnen complexeren (in zekere zin, "stelen"). Hoewel het geen dominante interactie is tussen deze polymeren en ionen, is het effect bij gebruik van een enorme concentratie polymeren (enkele tientallen procenten van de oplossingsmassa) merkbaar en belangrijk voor het verloop van biochemische processen. Door de stabiliteit van de complexen te bepalen die worden gevormd in de aanwezigheid van bepaalde crowders, beweren de auteurs dat ze de invloed van de ionen op moleculair niveau kunnen aantonen die de natuur nabootsen. Deze experimenten werpen licht op de onduidelijke mechanismen in de cellen en wijzen op het belang van een diepere analyse van de onderzochte reacties in de kunstmatige omgeving.

Dankzij de resultaten gepresenteerd door onderzoekers van IPC PAS, zijn we een stap dichter bij het begrijpen van bepaalde moleculaire processen in levende cellen. Een gedetailleerde beschrijving van de mechanismen op moleculaire schaal heeft praktische implicaties; het is bijvoorbeeld van groot belang voor het ontwerpen van nieuwe medicijnen, vooral voor het voorspellen van bepaalde processen die tijdens de behandeling in de overvolle cellen plaatsvinden. Het kan nuttig zijn bij het nauwkeurig plannen van de experimenten in.

Het onderzoek is gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry Letters . + Verder verkennen

Onderzoekers ontwikkelen een molecuul dat degeneratieve processen die verband houden met de ziekte van Alzheimer remt