Чудеса сложности, в клетках одновременно происходят тысячи химических реакций. Некоторые реакции происходят внутри специализированных отделов, называемых органеллами. Однако у некоторых органелл отсутствует какая-либо мембрана, которая бы защищала себя от остальной материи, плавающей внутри клеток.
Эти безмембранные органеллы каким-то образом сохраняются как автономные структуры среди клеточного моря воды, белков, нуклеиновых кислот и других молекул.Ученые из Принстонского университета разработали новый инструмент, получивший название optoDroplet, который предлагает беспрецедентный доступ к манипуляциям и пониманию химии, позволяющей функционировать безмембранным органеллам.«Этот инструмент optoDroplet позволяет нам анализировать правила физики и химии, которые управляют самосборкой безмембранных органелл», — сказал Клиффорд Брангвинн, доцент кафедры химической и биологической инженерии в Принстоне и старший автор статьи, опубликованной в Интернете. in Cell, 29 декабря. "Основные механизмы, лежащие в основе этого процесса, очень плохо изучены, и если мы справимся с этим, может появиться надежда на разработку вмешательств и методов лечения разрушительных заболеваний, связанных с агрегацией белков, таких как БАС. "Предыдущие исследования показали, что безмембранные органеллы собираются внутри клетки с помощью процесса, известного как фазовый переход: примеры известных фазовых переходов включают конденсацию водяного пара в капельки росы или замерзание жидкой воды в твердый лед.
Исследования, проведенные Брангвинном и его коллегами за последние несколько лет, показали, что изменение концентрации определенных белков или изменение их структуры, по-видимому, запускает фазовый переход, который позволяет белкам конденсироваться в каплевидные органеллы.Однако на сегодняшний день в большинстве исследований использовались очищенные белки, изучаемые в пробирках, и у исследователей было немного методов для изучения фазовых переходов в неистовых динамо-машинах, которые являются живыми клетками. OptoDroplets поможет ученым узнать, когда фазовые переходы идут наперекосяк, давая твердые гели и кристаллические агрегаты белков, причастных к заболеваниям, включая болезнь Альцгеймера и боковой амиотрофический склероз (БАС).
OptoDroplet использует технику, называемую оптогенетикой, с участием белков, поведение которых может быть изменено под воздействием света. (Клетки в основном состоят из воды и, следовательно, по существу прозрачны.) Исследователи показали, что они могут вызывать фазовые переходы и создавать безмембранные органеллы, включая светоактивированные белки. Они также могли отменить переходы, просто выключив свет. Увеличение интенсивности света и концентрации белка позволило исследователям еще больше контролировать переход. Изменяя эти входные данные, они могут определять, когда образуются конденсированные жидкие белковые капли, а также твердые белковые агрегаты, возможно, связанные с заболеваниями.
«OptoDroplet обеспечивает уровень контроля, который мы можем использовать для точного отображения того, что мы называем фазовой диаграммой в живых клетках», — сказал Брэнгвинн. «С этим мы начинаем понимать, как клетки используют свой естественный механизм, чтобы перемещаться по этой внутриклеточной фазовой диаграмме для сборки различных типов органелл».Ведущим автором статьи является Ёндэ Шин, научный сотрудник группы Soft Living Matter Group Брэнгвинна, входящей в Департамент химической и биологической инженерии Принстона.
Соавторы Джоэл Берри и Микко Хаатая из Департамента механической и аэрокосмической техники помогли разработать математические модели для понимания внутриклеточного фазового поведения, в то время как Николь Паннуччи и Джаред Тоетчер из Департамента молекулярной биологии являются экспертами в оптогенетике и помогли направить молекулярный дизайн белки optoDroplet. Работа была частично поддержана Национальными институтами здравоохранения и Национальным научным фондом.Используя клетки мыши и человека, исследовательская группа объединила ген светочувствительного белка из растения, называемого кресс-салатом мышей (или Arabidopsis thaliana), родственника капусты и горчицы, которые являются основой генетических исследований.
Воздействие синего света заставляет белок самоассоциироваться, сморщиваясь.Светочувствительная метка была слита с белковыми компонентами, которые, как считается, управляют фазовыми переходами в живых клетках. Используя свет, исследователи обнаружили, что они могут заставить белки собираться в кучу, имитируя процесс конденсации, который естественным образом происходит в клетках. «Используя аналогию с водяным паром, вы можете думать о том, что мы сделали, как об использовании лазера для локального изменения температуры в некоторой области воздуха так, чтобы из него конденсировались капли воды», — сказал Брангвинн.
Команда неоднократно подталкивала белки конденсироваться, а затем растворяться, включая и выключая свет. Процесс оказался полностью обратимым даже после многих циклов. Однако с помощью света высокой интенсивности или высоких концентраций белков исследователи создали полутвердые гели.
Эти гели изначально были обратимыми, но со временем они затвердевали с образованием необратимых комковатых агрегатов, подобных тем, которые обнаруживаются при некоторых заболеваниях.«С помощью optoDroplet мы показали, что можем легко собирать и разбирать жидкости с фазовым разделением, и они, похоже, не вызывают никаких проблем для ячейки», — сказал Брангвинн. «Но гелеобразные сборки кажутся более проблематичными, поскольку в течение многих циклов они превращаются в устойчивые агрегаты, с которыми клетка больше не может иметь дело и которые могут начать склеивать здоровые биологические процессы».
Одним из примеров является белок под названием FUS. Белок FUS имеет решающее значение для работы клетки; он помогает производить другие белки и восстанавливать поврежденную ДНК. Но множество генетических мутаций может привести к тому, что белок FUS станет слишком липким, что приведет к БАС, также известной как болезнь Лу Герига. Неврологическое состояние, при котором пациенты теряют способность добровольно управлять своими мышцами, БАС характеризуется скоплениями белка, накапливающимися в нервных клетках.
Эти сгустки могут возникать в результате патологической агрегации FUS или других белков, а не оставаться в виде динамических капель жидкости. Болезнь Хантингтона и болезнь Альцгеймера также связаны с скоплениями белков, закупоривающих клетки, что снова указывает на то, что аномальные фазовые переходы в клетках тесно связаны с этими состояниями.Эдвард Лемке, исследователь из Европейской лаборатории молекулярной биологии в Гейдельберге, Германия, не принимавший участия в исследовании клеток, отметил перспективность optoDroplet.«Белки, на которые нацелена optoDroplet, являются важной составляющей белков, разделяющих фазы, многие из которых также связаны с печально известными заболеваниями», — сказал Лемке. «Система optoDroplet дает доступ к модуляции состояния этих белков внутри клетки минимально инвазивным и строго контролируемым образом, поэтому она может дать новое понимание того, как они выполняют свои функции».
Брэнгвинн и его коллеги с нетерпением ждут продолжения экспериментов с optoDroplet, чтобы лучше понять сложное поведение клеток.«Это фундаментальная наука, которой мы занимаемся, отвечая на основные вопросы о фазовых переходах в клетках», — сказал Брангвинн. «Но мы надеемся, что эти открытия раскроют не только то, как работают здоровые клетки, но и то, как они могут заболеть и, возможно, в конечном итоге вылечить».
