Una ilustración de parte de un orgánulo sintético sin membrana. Aquí vemos dos capas que se separan en fases como el aceite y el agua, pero ambas capas son agua. No hay aceite. Cada capa contiene un soluto diferente que le da su propia termodinámica química, manteniéndolo separado del otro. Las reacciones químicas caen en cascada de una capa a la siguiente en una reacción en cadena. Las moléculas ilustradas en el exterior son azúcares llamados dextrano, un soluto. La capa intermedia gris contiene una enzima, representado como pequeñas esferas amarillas que llevarían a cabo un paso en la cascada de reacción. Crédito:Georgia Tech
Un par de azúcares una pizca de enzimas, una pizca de sal, un chorrito de polietilenglicol, cuidadosamente dispuestos en baños de agua. Y los investigadores habían hecho un orgánulo sintético, que utilizaron en un nuevo estudio para explorar una extraña bioquímica celular.
Los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia hicieron la mezcla química en el laboratorio para imitar de cerca los orgánulos sin membrana, mini-órganos en células que no están contenidas en una membrana pero que existen como piscinas de soluciones acuosas. Y su modelo demostró cómo, con solo unos pocos ingredientes, los orgánulos podrían llevar a cabo procesos biológicos afinados.
Los investigadores publicaron los resultados de su estudio en la revista Interfaces y materiales aplicados ACS para el 26 de septiembre, Edición de 2018. La investigación fue financiada por el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales de los Institutos Nacionales de Salud y por la Fundación Nacional de Ciencias.
Una mirada rápida a los orgánulos sin membrana debería ayudar a comprender la importancia de la investigación.
¿Qué son los orgánulos sin membrana?
El descubrimiento de orgánulos que son piscinas de soluciones acuosas y no objetos con membranas es bastante reciente. Un buen ejemplo es el nucléolo. Reside dentro del núcleo de la célula, que es un orgánulo que tiene una membrana.
En el pasado, Los investigadores pensaron que el nucleolo desapareció durante la división celular y reapareció más tarde. Mientras tanto, Los investigadores se han dado cuenta de que el nucleolo no tiene membrana y que durante la división celular se difunde como lo hacen las burbujas de agua en el vendaje de vinagreta que se ha agitado.
En un vil La fase de tres soluciones acuosas se separa en tres capas. En orgánulos sin membrana, las reacciones químicas ocurren en las interfaces de tales capas, procesar un reactivo paso a paso y mover el producto de reacción de una capa a la siguiente. Crédito:Georgia Tech / Rob Felt
"Después de la división celular, el nucléolo vuelve a unirse como un solo compartimento de líquido, "dijo Shuichi Takayama, investigador principal del estudio y profesor en el Departamento de Ingeniería Biomédica Wallace E. Coulter en Georgia Tech y Emory University.
Los orgánulos sin membrana pueden estar formados por algunas soluciones acuosas diferentes, cada uno con diferentes solutos como proteínas o azúcar o ARN o sal. Diferencias en la termodinámica de las soluciones, es decir, cómo rebotan sus moléculas, evitar que se fusionen en una única solución.
En lugar de, separan las fases de la forma en que lo hacen el aceite y el agua, incluso después de entremezclarse. Pero en este caso no hay aceite.
"Son todas aguas, "Dijo Takayama." Simplemente no se mezclan entre sí porque tienen diferentes solutos ".
¿Qué procesos reales demostró el experimento sintético?
Durante la mezcla, suceden cosas importantes. El nucléolo por ejemplo, es vital para la transcripción del ADN. Pero la configuración sintética, una colección de soluciones acuosas elaboradas por el primer autor del estudio, Taisuke Kojima, llevó a cabo una serie de reacciones más simples que demostraron cómo los orgánulos sin membrana podrían impulsar el procesamiento del azúcar.
Dentro del núcleo, visto aquí como una esfera púrpura, es una esfera púrpura más pequeña, el nucléolo, que es el orgánulo sin membrana más prominente de nuestras células. Crédito:CNX OpenStax / Descargar gratis en cnx.org/contents/[email protected] / licencia creative commons
"Tuvimos tres fases de soluciones, cada una con diferentes reactivos, "Dijo Kojima." Era como una pelota con tres capas:una solución exterior, una solución intermedia, y una solución central. La glucosa estaba en la capa exterior; una enzima, glucosa oxidasa, estaba en la segunda capa, y la peroxidasa de rábano picante estaba en el núcleo junto con un sustrato colorimétrico que nos dio una señal visible cuando ocurrió la última reacción que estábamos buscando ".
La glucosa en la capa exterior interactúa con la glucosa oxidasa en la segunda capa, que catalizó la glucosa en peróxido de hidrógeno. Aterrizó en la segunda capa e interactuó con la peroxidasa de rábano picante en la capa central, que lo catalizó en la capa central junto con ese compuesto que cambia de color.
"Este tipo de reacción en cascada es lo que uno esperaría ver actuar a los orgánulos sin membrana, "Dijo Takayama.
La cascada incluso transportó cada producto de reacción de un compartimento al siguiente, algo muy típico en los procesos biológicos, como órganos que digieren alimentos o un orgánulo que procesa moléculas.
¿Qué nos puede enseñar un descubrimiento sorpresa?
Parte de la reacción tomó por sorpresa a los investigadores, y resultó en un descubrimiento novedoso.
El nucléolo en el centro del núcleo de la célula, es el orgánulo más prominente sin membrana. Una vez se pensó que desaparecía durante la división celular y luego reaparecía. Dado que existe en solución, en realidad, se agita en pedazos que vuelven a unirse como una sola pieza. Crédito:CNX OpenStax / Descargar gratis en cnx.org/contents/[email protected] / commons license
"Cuando los investigadores piensan en orgánulos sin membrana, a menudo pensamos que las reacciones dentro de ellos son más eficientes cuando sus enzimas y sustratos están en el mismo compartimento, "Dijo Takayama." Pero en nuestros experimentos, eso en realidad ralentizó la reacción. Dijimos, 'Whoa, ¿Que está pasando aqui?'"
"Cuando el sustrato está en el mismo lugar donde también se acumula el producto de la reacción, la enzima a veces se confunde, y eso puede impedir la reacción, "dijo Kojima, quien es investigador postdoctoral en el laboratorio de Takayama. "Me sorprendió mucho verlo".
Kojima puso las enzimas y el sustrato en soluciones separadas, que se interconectaron pero no se fusionaron en una sola solución, y la reacción en su orgánulo sintético funcionó de manera eficiente. Esto mostró cómo las sutilezas inesperadas pueden estar afinando la química de los orgánulos.
"Fue un régimen Ricitos de Oro, no demasiado contacto entre el sustrato y la enzima, no muy poco, solo bien, "Dijo Takayama.
"Algunas veces, en una celda, un sustrato no es abundante y puede ser necesario concentrarlo en su propio compartimento pequeño y luego ponerlo en contacto con la enzima, "Dijo Takayama." Por el contrario, algunos sustratos pueden ser muy abundantes en el núcleo, y podría ser importante separarlos de las enzimas para obtener el contacto suficiente para el tipo correcto de reacción ".
