Het mechanisme van moleculaire zelforganisatie is in een nieuw model beoordeeld door onderzoekers van het Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization (MPIDS). In hun studie hebben ze simuleerden hoe omgevingsfactoren zoals temperatuur de grootte van oliedruppels in elastische matrices beïnvloeden. De studie zal ook helpen bij het begrijpen van druppelvorming in biologische cellen, waar biologische moleculen zichzelf organiseren in condensaten. Het volledige artikel is onlangs gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift PNAS .

In de biologie, een goede regulatie van het binnenste van de cel is cruciaal om de werking van biologische processen te waarborgen. Nog, cellen kunnen zeer complexe structuren zijn met duizenden verschillende soorten moleculen en miljoenen eiwitkopieën. Om deze enorme complexiteit te organiseren, er zijn verschillende mechanismen nodig om subcellulaire omgevingen te creëren die zowel gedefinieerde als dynamische omstandigheden bieden. Bijvoorbeeld, cellulaire organellen maken de scheiding van cellulaire omgevingen mogelijk door afbakening via membranen. Echter, ook in de overvolle celmatrix is ​​een gestructureerde organisatie van biomoleculen vereist. Daar, zogenaamde biomoleculaire condensaten met een gedefinieerde moleculaire samenstelling kunnen spontaan ontstaan. Prominente voorbeelden van dit fenomeen zijn onder meer stresskorrels en transcriptionele condensaten. Deze condensaten zijn omgeven door elastische structurele elementen in de cel, inclusief het cytoskelet en chromatine in de kern. De vraag is:hoe worden de condensaten beïnvloed door de elastische structuren en zou de cel deze interactie kunnen gebruiken om controle uit te oefenen in de dynamische cellulaire omgeving?

Een model geeft toegang tot het domein van de moleculaire organisatie

Omdat het in de praktijk niet mogelijk is om de gedetailleerde interactie van miljoenen moleculen in een cel in realtime te volgen, onderzoekers gebruiken modellen die individuele facetten van het fenomeen beschrijven. "We gebruiken oliedruppeltjes om het materiaal in het cytosol weer te geven en een polymeergaas om de biologische steiger na te bootsen", legt Estefania Vidal-Henriquez uit, eerste auteur van de studie. "De dynamische ontwikkeling van de druppelgrootte onder bepaalde omstandigheden geeft ons informatie over hoe biologische moleculen in een cellulaire omgeving zouden zijn gerangschikt." Het model beschrijft de verdeling van verschillende druppelgroottes en hun relatieve overvloed. Bovendien, het is van mening dat de omringende matrix zou kunnen worden verbroken - wat zou verwijzen naar een herschikking van de biologische steiger. Dit betekent dat de biomoleculaire condensaten niet worden beperkt door de maaswijdte van de omgeving, maar zijn in staat om verder te groeien.

Fasescheiding als het belangrijkste mechanisme

Een krachtig concept om de groei van dergelijke condensaten te verklaren is fasescheiding. Kort, afhankelijk van de omstandigheden, twee stoffen zullen ofwel worden gemengd of naast elkaar bestaan, gescheiden van elkaar. Meerdere factoren kunnen fasescheiding in de biologie beïnvloeden, zoals pH, concentratie, of temperatuur. In het model, de onderzoekers gebruikten een temperatuurmodulatie om het effect van fasescheiding en druppelvorming te onderzoeken. Langzaam verlagen van de temperatuur van het systeem, een spontane kiemvorming van oliedruppels werd waargenomen, die in de loop van de tijd groter werden door het materiaal om hen heen te absorberen. interessant, bij een hogere koelsnelheid meer, maar er ontstaan ​​kleinere druppeltjes. Vandaar, de snelheid waarmee een externe invloedsfactor verandert, speelt een cruciale rol bij structuurvorming.

"Met ons model we beschrijven hoe de moleculaire samenstelling op microschaal kan worden gerangschikt op een elastische matrix" vat David Zwicker samen, senior auteur van de studie en groepsleider bij de MPIDS. Wat betreft het effect van temperatuurmodulatie, hij voegt eraan toe dat "we vergelijkbaar gedrag verwachten voor biomoleculaire condensaten die zich vaak vormen als reactie op temperatuurveranderingen, pH, of eiwitconcentratie in cellen." Het model biedt de basis om de vorming van microscopische patronen in zowel technische als biologische context te beschrijven.

Het onderzoek is gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences .