Джованна Гирланда из Университета штата Аризона и Матиас Хейден, профессора Школы молекулярных наук, и Сара Вайана, профессор кафедры физики, смотрят на наши клетки через новую линзу, позволяя им по-новому взглянуть на механизмы некоторых клеточных активностей.
В дополнение к мембранным органеллам — ядру, митохондриям и аппарату Гольджи, и многие другие — эукариотические клетки несут множество компартментов, в которых отсутствует оболочка. Эти жидкие глобулы на основе белка, называемые безмембранными органеллами, выполняют различные клеточные функции, которые были бы менее эффективны или вообще невозможны в цитоплазме. И исследователи теперь узнают, что безмембранные органеллы могут играть роль в агрегации белков, связанных с болезнью, например, болезни Альцгеймера.
Гирланда, Хейден и Вайана изучают биофизику, лежащую в основе формирования этих органелл, и используют эту информацию для разработки искусственных. Их исследование исследует инновационный метод для достижения компартментализации, с предсказуемым применением в синтетической биологии, а также в катализе.
За последнее десятилетие исследователи узнали, что хорошо известное явление, известное как разделение фаз жидкость-жидкость (LLPS), управляет образованием и функционированием некоторых из этих крупных безмембранных структур. Появляющаяся картина внутри клетки заключается в том, что цитоплазма и нуклеоплазма представляют собой сложные жидкости, которые могут стабильно разделяться, подобно маслу и уксусу. Заимствуя знания из таких областей, как физическая химия и физика мягкой материи, где теории, объясняющие разделение фаз жидкость-жидкость, послужили основой для разработки продуктов, начиная от стабилизаторов в обработанных пищевых продуктах и заканчивая косметикой, от терапевтических мазей до красок, — биологи сейчас разрабатывают новое понимание к настоящему времени охарактеризовано почти два десятка типов без мембранных структур.
Важность этих структур становится все более очевидной. Эти безмембранные структуры образуются при разделении фаз жидкость-жидкость биополимеров, таких как белки и РНК, обычно в ответ на раздражитель.
Команда исследует, можно ли использовать LLPS для создания безмембранных органелл, способных выполнять сложные каталитические функции. Область применения этих новых структур варьируется от повышения эффективности ферментных каскадов in vitro для промышленного применения до предоставления технически простой и привлекательной альтернативы белковым капсулам и липосомам в искусственных клетках.
«В случае успеха наш метод приведет к прямому способу получения безмембранных органелл путем простого слияния сконструированных меток с выбранными ферментами», — объясняет Гирланда. «Кроме того, наши вычислительные методы позволят адаптировать последовательности меток к ферментам».
Параллельная работа в лаборатории Ghirlanda фокусируется на разработке искусственных металлопротеинов. В долгосрочной перспективе они нацелены на создание органелл, содержащих искусственные металлоферменты, способные катализировать выработку водорода, а также восстановление углекислого газа.
Работа в лаборатории Heyden сосредоточена на разработке методов компьютерного моделирования многолюдных сред, таких как те, которые обнаруживаются в безмембранных органеллах: текущие исследования команды доказали, что они являются отличным испытательным полигоном для этих методов.
Лаборатория Vaiana работает над фазовым разделением, поскольку оно относится к нейродегенеративным заболеваниям. В этом контексте они устанавливают биофизические методы для характеристики LLPS in vitro и in vivo. Они применяют свои методы к LLPS, чтобы помочь характеризовать безмембранные органеллы и идентифицировать критические взаимодействия, лежащие в основе фазовых переходов для каждой последовательности.
Понимание механизма и количественная оценка движущих сил, которые приводят к агрегации амилоидного белка и заболеванию, может привести к крайне необходимому лекарству от болезни Альцгеймера.
Трио (три профессора) недавно получили грант Национального научного фонда EAGER для продолжения своих исследований. EAGER NSF был разработан специально для потенциально преобразующих исследований, в которых исследуются новые предметы, различные методы или междисциплинарные подходы, именно то, что можно ожидать в инновационных исследованиях.
Таким образом, рассмотрение внутренней клеточной среды как жидкости, которая содержит множество капель жидкости, функционирующих как безмембранные органеллы, знаменует собой поворотный момент в понимании клеточной биологии. Идея молода, и как и почему разделение жидкой и жидкой фаз организует межклеточное пространство, остаются открытыми вопросами. Но уже ясно, что это явление лежит в основе формирования и функциональности растущего числа давно наблюдаемых безмембранных органелл. С этим исследованием команда стремится использовать это явление для приложений в катализе и синтетической биологии.
Теги: Альцгеймер
