Zoals elke kok weet, sommige vloeistoffen mengen goed met elkaar, maar anderen niet. Bijvoorbeeld, wanneer een eetlepel azijn in water wordt gegoten, een korte beweging is voldoende om de twee vloeistoffen grondig te combineren. Echter, een eetlepel olie die in water wordt gegoten, zal samenvloeien tot druppeltjes die met geen enkele beweging kunnen oplossen. De fysica die het mengen van vloeistoffen regelt, is niet beperkt tot mengkommen; het beïnvloedt ook het gedrag van dingen in cellen. Het is al enkele jaren bekend dat sommige eiwitten zich als vloeistoffen gedragen, en dat sommige vloeistofachtige eiwitten niet met elkaar vermengen. Echter, er is heel weinig bekend over hoe deze vloeistofachtige eiwitten zich gedragen op celoppervlakken.

"De scheiding tussen twee vloeistoffen die niet mengen, zoals olie en water, staat bekend als 'vloeistof-vloeistof fasescheiding', en het staat centraal in de functie van veel eiwitten, " zei Sagar Setru, een doctoraat in 2021 afgestudeerde die werkte met zowel Sabine Petry, een professor in de moleculaire biologie, en Joshua Shaevitz, een professor in de natuurkunde en het Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics.

Dergelijke eiwitten lossen niet op in de cel. In plaats daarvan, ze condenseren met zichzelf of met een beperkt aantal andere eiwitten, waardoor cellen bepaalde biochemische activiteiten kunnen compartimenteren zonder ze in membraangebonden ruimtes te hoeven wikkelen.

"In de moleculaire biologie, de studie van eiwitten die gecondenseerde fasen vormen met vloeistofachtige eigenschappen is een snel groeiend veld, " zei Bernardo Gouveia, een afgestudeerde student chemische en biologische technologie, werken met Howard Stone, de Donald R. Dixon '69 en Elizabeth W. Dixon hoogleraar Mechanische en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, en voorzitter van de afdeling. Setru en Gouveia werkten samen als co-eerste auteurs aan een poging om zo'n eiwit beter te begrijpen.

"We waren benieuwd naar het gedrag van het vloeistofachtige eiwit TPX2. Wat dit eiwit bijzonder maakt, is dat het geen vloeistofdruppels vormt in het cytoplasma zoals eerder werd waargenomen, maar lijkt in plaats daarvan fasescheiding te ondergaan op biologische polymeren die microtubuli worden genoemd, " zei Setru. "TPX2 is nodig voor het maken van vertakte netwerken van microtubuli, wat cruciaal is voor de celdeling. TPX2 wordt ook tot overexpressie gebracht in sommige vormen van kanker, dus het begrijpen van zijn gedrag kan medische relevantie hebben."

Individuele microtubuli zijn lineaire filamenten die staafvormig zijn. Tijdens de celdeling, nieuwe microtubuli vormen zich aan de zijkanten van bestaande om een ​​vertakt netwerk te creëren. De plaatsen waar nieuwe microtubuli zullen groeien, worden gemarkeerd door bolletjes gecondenseerd TPX2. Deze TPX2-bolletjes rekruteren andere eiwitten die nodig zijn om microtubuli-groei te genereren.

De onderzoekers waren benieuwd hoe TPX2-bolletjes zich vormen op een microtubulus. Er achter komen, ze besloten om te proberen het proces in actie te observeren. Eerst, ze hebben de microtubuli en TPX2 aangepast zodat ze elk een andere fluorescerende kleur zouden geven. Volgende, ze plaatsten de microtubuli op een microscoopglaasje, TPX2 toegevoegd en keek toen om te zien wat er zou gebeuren. Ze maakten ook waarnemingen met een zeer hoge ruimtelijke resolutie met behulp van een krachtige beeldvormingsbenadering die atoomkrachtmicroscopie wordt genoemd.

"We ontdekten dat TPX2 eerst de hele microtubulus bedekt en vervolgens uiteenvalt in druppeltjes die gelijkmatig uit elkaar liggen, vergelijkbaar met hoe ochtenddauw een spinnenweb bedekt en uiteenvalt in druppels, ’ zei Gouveia.

Setru, Gouveia en collega's ontdekten dat dit gebeurt vanwege iets dat natuurkundigen de Rayleigh-Plateau-instabiliteit noemen. Hoewel niet-natuurkundigen de naam misschien niet herkennen, ze zullen al bekend zijn met het fenomeen, wat verklaart waarom een ​​stroom water die uit een kraan valt uiteenvalt in druppels, en waarom een ​​uniforme laag water op een streng spinnenweb samenvloeit tot afzonderlijke kralen.

"Het is verrassend om zulke alledaagse fysica te vinden in de wereld van de moleculaire biologie op nanoschaal, ’ zei Gouveia.

Verlenging van hun studie, de onderzoekers ontdekten dat de afstand en grootte van TPX2-bolletjes op een microtubule wordt bepaald door de dikte van de initiële TPX2-coating, dat wil zeggen, hoeveel TPX2 aanwezig is. Dit kan verklaren waarom de vertakking van microtubuli is veranderd in kankercellen die TPX2 tot overexpressie brengen.

"We hebben simulaties gebruikt om aan te tonen dat deze druppeltjes een efficiëntere manier zijn om vertakkingen te maken dan alleen een uniforme coating of binding van het eiwit langs de microtubulus, ' zei Setru.

"Dat de fysica van druppelvorming, zo levendig zichtbaar voor het blote oog, heeft een rol te spelen op de micrometerschaal, helpt bij het tot stand brengen van de groeiende interface (geen woordspeling bedoeld) tussen de fysica van zachte materie en biologie, " zei Rohit Pappu, de Edwin H. Murty Professor of Engineering aan de Washington University in St. Louis, die niet bij het onderzoek betrokken was.

"De onderliggende theorie is waarschijnlijk van toepassing op een assortiment van interfaces tussen vloeistofachtige condensaten en celoppervlakken, "voegt Pappu eraan toe. "Ik vermoed dat we steeds weer op dit werk zullen terugkomen."