Natuurkundigen van de Universiteit van Buffalo gebruiken innovatieve hulpmiddelen om de eigenschappen te bestuderen van een bizarre klasse moleculen die een rol kunnen spelen bij ziekten:eiwitten die samenklonteren om bolvormige druppeltjes in menselijke cellen te vormen.

Het laatste onderzoek van de wetenschappers werpt licht op de omstandigheden die ervoor zorgen dat dergelijke druppeltjes overschakelen van een vloeistof, vloeibare toestand naar een hardere, gelachtige toestand.

Gepubliceerd op 19 februari in het tijdschrift Biomoleculen als een uitgelicht artikel, de studie constateert dat bepaalde eiwitdruppeltjes verharden, gelatineus worden in drukke omgevingen (zoals reageerbuizen waar veel andere moleculen aanwezig zijn, het nabootsen van de overbelaste omstandigheden in levende cellen).

"Deze druppelvormende eiwitten zijn een relatief nieuw studiegebied, dus we weten heel weinig over hun basiseigenschappen, " zegt hoofdonderzoeker Priya R. Banerjee, doctoraat, universitair docent natuurkunde aan het UB College of Arts and Sciences. "Als natuurkundigen, we willen de dynamiek van deze druppeltjes kwantificeren en leren welke factoren ze beïnvloeden. Dit is belangrijk omdat de dynamiek van eiwitdruppeltjes een sleutel is tot hun cellulaire functie en disfunctie.

"Voorgaand onderzoek heeft zich gericht op de structuur van de eiwitten zelf, maar ons werk laat zien dat omgevingsfactoren even belangrijk zijn. We zien dat externe omstandigheden de interne toestand van de druppeltjes kunnen veranderen, die hun functie in menselijke cellen kunnen beïnvloeden."

Het onderzoek is belangrijk omdat condenserende eiwitten betrokken kunnen zijn bij gezondheid en ziekte. Recente studies wijzen op mogelijke rollen voor deze druppeltjes in zulke uiteenlopende functies als genexpressie, stressreactie en immuunsysteemfunctie.

Het nieuwe artikel onderzoekt een druppelvormend eiwit genaamd fused in sarcoma (FUS). Vloeibare FUS-druppels worden gevonden in normale hersencellen, maar bij sommige patiënten met de neurodegeneratieve ziekte amyotrofische laterale sclerose (ALS), het eiwit vormt aggregaten van vast materiaal, zegt Banerjee. Het is onduidelijk waarom.

Lasers gebruiken om eiwitdruppels te epileren en te prikken

Het onderzoek maakte gebruik van twee innovatieve technieken om te laten zien hoe omgevingscondities druppeltjes gemaakt van FUS of andere verwante eiwitten kunnen beïnvloeden.

In een reeks experimenten, wetenschappers gebruikten zeer gerichte laserstralen, optische pincetten genoemd, om twee eiwitdruppeltjes die in een vloeibare bufferoplossing drijven, te vangen en samen te duwen.

De eiwitdruppeltjes smolten gemakkelijk samen om een ​​enkele grotere druppel te vormen wanneer de buffer dun bevolkt was met andere inerte crowder-moleculen zoals polyethyleenglycol (PEG). Maar toen de concentratie van PEG of andere chemicaliën in de buffer toenam, de eiwitdruppels werden gelatineuzer en wilden niet volledig combineren.

In een tweede reeks tests, het team gebruikte lasers op een andere manier - "laserporen" - om te bestuderen hoe FUS en verwante eiwitdruppels reageren op drukke omgevingen.

Bij deze experimenten Banerjee en collega's bevestigden fluorescerende tags aan talrijke eiwitmoleculen in een enkele druppel, waardoor de eiwitten gaan gloeien. De onderzoekers "prikten" vervolgens het midden van de druppel met een laser met hoge intensiteit, een procedure die ervoor zorgde dat alle fluorescerende moleculen die door de laser werden geraakt, permanent donker werden.

Volgende, wetenschappers hebben gemeten hoe lang het duurde voordat nieuwe gloeiende eiwitten het donkere gebied bereikten. Dit gebeurde snel in eiwitdruppeltjes die in dunbevolkte bufferoplossingen dreven. Maar de hersteltijd was dramatisch langzamer voor druppeltjes gesuspendeerd in bufferoplossingen dik met PEG of andere verbindingen - een indicatie, alweer, dat eiwitdruppels gelatineachtig worden in drukke omgevingen. De bevindingen waren van toepassing op zowel FUS als andere verwante eiwitdruppeltjes met diverse primaire structuren.

"Onze experimenten werden gedaan in reageerbuizen, maar onze resultaten suggereren dat in levende cellen, de crowding-status kan de dynamiek van eiwitdruppels beïnvloeden, ' zegt Banerjee.

Een belangrijke vraag die overblijft, is of en hoe de vloeibaarheid van FUS-druppels het vermogen van het eiwit om zich tot vaste klonten te vormen, beïnvloedt. zoals gezien bij sommige ALS-patiënten. Banerjee hoopt dit probleem aan te pakken door middel van toekomstig onderzoek.