Un equipo de científicos de Texas A&M Engineering, la Universidad de Delaware y la Universidad de Rutgers ha descubierto que los aminoácidos (residuos) que componen las proteínas dentro de las gotas interactúan de muchas más formas de las que se reconoce actualmente. Muestran que estas interacciones facilitan el ensamblaje de proteínas y, eventualmente, la separación de fases líquido-líquido en gotas.

Los investigadores han publicado sus hallazgos en la revista Nature Chemistry. .

Su trabajo es un paso hacia la ampliación de la comprensión de la biología celular, el desarrollo de tratamientos para enfermedades que involucran agregados proteicos patológicos, como el Alzheimer y el Parkinson, y la creación de nuevos materiales blandos diseñados mediante bioingeniería.

El reciente descubrimiento de gotitas líquidas dentro de células vivas se realizó por primera vez en las células germinales de un gusano que habita en el suelo, Caenorhabditis elegans (C. elegans). Dentro del embrión del gusano, unas estructuras sin membrana llamadas gránulos P cumplen funciones reproductivas esenciales. Cuando se investigaron más a fondo, los investigadores descubrieron que los gránulos de P carecían de membranas y podían gotear, unirse o disolverse, teniendo características similares a las de los líquidos. Además, estos gránulos de P podrían mantener su integridad dentro del citoplasma gelatinoso, como las gotas de aceite en el agua.

"Hubo un cambio fundamental en 2009 en la forma de pensar sobre la compartimentación celular en términos de la aparición de estructuras similares a gotas", dijo el Dr. Jeetain Mittal, profesor del Departamento de Ingeniería Química Artie McFerrin y autor principal. "La mayoría de los biólogos comenzaron a aceptar que la separación de fases no es la excepción sino la regla con la que las células biológicas compartimentan unidades funcionales distintas de los orgánulos unidos a membranas".

Pero, ¿cómo es que sólo proteínas específicas que se mueven por el citoplasma junto con millones de otras se ensamblan en gotitas funcionales? La evidencia indica que las proteínas intrínsecamente desordenadas o aquellas que carecen de una estructura tridimensional ordenada pueden ser esenciales en la separación de fases. Sin embargo, las interacciones entre las proteínas desordenadas que orquestan la separación de fases aún no se han delineado por completo.

"Todavía no tenemos una idea muy clara de qué aminoácidos dentro de las regiones desordenadas proporcionan la fuerza impulsora para la separación de fases", dijo Shiv Rekhi, estudiante de posgrado en el laboratorio de Mittal y autor principal. "Queríamos salirnos de las reglas establecidas, seguir mostrando la separación de fases y luego cuantificar cómo cada aminoácido contribuía al proceso".

Para su investigación, el equipo utilizó una proteína sintética desordenada con secuencias de aminoácidos que recuerdan a las proteínas naturales. Luego, los investigadores crearon variantes de proteínas eliminando o agregando un tipo específico de aminoácido y evaluaron si aún se producía condensación en gotas. Con sus colaboradores, realizaron experimentos de microscopía y turbidez para evaluar la naturaleza física de la gota enriquecida con proteínas. Finalmente, utilizando simulaciones a gran escala, Rekhi exploró cómo las interacciones atómicas entre los aminoácidos dentro de la secuencia de proteínas se traducían en la formación de gotas líquidas observadas experimentalmente.

"Una opinión predominante es que se requieren tirosina y/o arginina para la separación de fases. Lo probamos directamente creando variantes de proteínas en las que eliminamos estos residuos, y aún así obtuvimos la separación de fases", dijo Rekhi. "Este y muchos otros experimentos similares nos dijeron que la separación de fases puede ocurrir sin muchos residuos que la gente cree que son necesarios".

Los investigadores descubrieron que todas menos una de las 12 variantes de proteínas mostraban separación de fases, lo que subraya la presencia de múltiples interacciones entre los residuos de aminoácidos que componen la proteína desordenada.

"Durante un tiempo, la gente en el campo ha asumido que un conjunto limitado de reglas puede describir la formación de gotas. Hemos demostrado que todo en la secuencia de proteínas importa", dijo Mittal. "Nuestro artículo establece que el lenguaje molecular de la separación de fases es mucho más rico y complejo."

Otros contribuyentes a la investigación incluyen a Cristóbal García García y la Dra. Kristi L. Kiick de la Universidad de Delaware; Mayur Barai y el Dr. Benjamin Schuster de Rutgers, la Universidad Estatal de Nueva Jersey.