Una imagen de microscopía de fluorescencia de dos colores muestra gotas de líquido hechas de una proteína rica en arginina y un ARN rico en purina. Las gotitas azul y roja están hechas de los mismos materiales (proteínas y ARN), pero etiquetado con diferentes tintes para ayudar a la visualización. En muchos lugares, las gotas, que flotan libremente en una solución, coexisten pero no se mezclan. Crédito:Laboratorio Ibraheem Alshareedah / Priya Banerjee
Una nueva investigación puede ayudar a explicar un fenómeno intrigante dentro de las células humanas:cómo los orgánulos líquidos sin paredes pueden coexistir como entidades separadas en lugar de simplemente fusionarse.
Estas estructuras, llamados orgánulos sin membrana (MLO), son gotitas líquidas hechas de proteínas y ARN, con cada gota sosteniendo ambos materiales. Los orgánulos juegan un papel crucial en la organización del contenido interno de las células, y puede servir como centro de actividad bioquímica, reclutamiento de moléculas necesarias para llevar a cabo reacciones celulares esenciales.
Pero sigue siendo un misterio cómo se separan las diferentes gotas unas de otras. ¿Por qué no siempre se combinan para formar gotas más grandes?
"Estos orgánulos no tienen membrana, y por lo tanto, la intuición común le diría que son libres de mezclar, "dice Priya Banerjee, Doctor., profesor asistente de física en la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Buffalo.
Banerjee es el investigador principal del nuevo estudio, que explora por qué esto no sucede.
Los coautores de la investigación incluyen al primer autor y Ph.D. en física. estudiante Ibraheem Alshareedah; Ph.D. en física el estudiante Taranpreet Kaur; el estudiante de pregrado Jason Ngo; la licenciada en física y matemáticas Hannah Seppala; la licenciada en ingeniería biomédica Liz-Audrey Djomnang Kounatse; y los investigadores postdoctorales en física Wei Wang y Mahdi Moosa. Todos son de UB.
Las gotas no se mezclan fácilmente si adquieren un estado similar a un gel.
Los resultados, publicados el 22 de agosto en la Revista de la Sociedad Química Estadounidense - señalan la estructura química de las moléculas de proteína y ARN dentro de las gotitas como un factor clave que puede evitar que los MLO se mezclen.
El equipo descubrió que ciertos tipos de ARN y proteínas son "más pegajosos" que otros, permitiéndoles formar gotas gelatinosas que no se fusionan fácilmente con otras gotas en el mismo estado viscoelástico. Específicamente, es más probable que las gotitas sean gelatinosas cuando contienen moléculas de ARN ricas en un bloque de construcción llamado purina, y proteínas ricas en un aminoácido llamado arginina.
Los estudiantes de doctorado en física de la Universidad de Buffalo Taranpreet Kaur (izquierda) e Ibraheem Alshareedah preparan una cámara de flujo de microfluidos para los experimentos. Los microfluidos permiten la manipulación rápida de gotas de proteína bajo trampas ópticas, una técnica utilizada para realizar el nuevo estudio. Crédito:Douglas Levere / Universidad de Buffalo
Los experimentos no se realizaron en células. En lugar de, Los hallazgos se basaron en pruebas realizadas en sistemas modelo que consisten en ARN y una proteína formadora de gotas llamada sarcoma fusionada (FUS) que flota en una solución tampón.
Una razón por la que FUS es de interés para los investigadores es su posible conexión con la enfermedad neurodegenerativa esclerosis lateral amiotrófica (ELA). Como explica Banerjee, Las moléculas de proteína ricas en arginina están asociadas con una forma prevalente de la enfermedad. conocida como ELA mediada por c9orf72.
"Nuestro hallazgo apunta a un papel especial de las proteínas ricas en arginina en la determinación del estado del material (líquido frente a gel) de los orgánulos sin membrana, "Dice Banerjee." Este estudio puede ser importante para comprender cómo las proteínas ricas en arginina ligadas a la ELA pueden alterar el estado viscoelástico de los MLO ricos en ARN ".
Además de proporcionar información sobre por qué los MLO se resisten a la mezcla (debido a la viscoelasticidad mejorada), el estudio sondeó el papel del ARN en la formación y disolución de orgánulos líquidos que contienen FUS. La investigación encontró que para el tipo de gota que se estudia, la adición de bajas concentraciones de ARN a una solución que contenía las proteínas provocó la formación de gotitas. Pero a medida que se agregó más ARN, luego, las gotitas se disolvieron.
"Por lo general, hay una ventana muy pequeña donde existen estas gotas, pero la ventana es significativamente más amplia para las proteínas ricas en arginina, "Dice Banerjee.
La complicada vida de los orgánulos líquidos
El nuevo artículo es el último de una serie de estudios que el grupo de Banerjee ha realizado para explorar las fuerzas que gobiernan la creación, mantenimiento y disolución de MLO.
Aunque el equipo utiliza sistemas de modelos para examinar las propiedades individuales de las gotas, Es probable que muchas fuerzas trabajen juntas en una célula para determinar el comportamiento y la función de los orgánulos, él dice. Puede haber muchos otros mecanismos, por ejemplo, que hacen que los MLO adquieran un estado gelatinoso o se nieguen a mezclarse.
"Las células son enormemente complejas, con muchas moléculas diferentes que experimentan diferentes procesos que se unen al mismo tiempo para influir en lo que sucede dentro de los MLO, ", Dice Banerjee." Al utilizar sistemas modelo, podemos comprender mejor cómo una variable en particular puede afectar la formación y disolución de estos orgánulos. Y esperamos ver estas mismas fuerzas en juego en la naturaleza, dentro de las celdas ".
