Los ingenieros biomédicos de la Universidad de Duke han demostrado un método para controlar la separación de fases de una clase emergente de proteínas para crear orgánulos artificiales sin membrana dentro de las células humanas. El avance, similar a controlar cómo el vinagre forma gotitas dentro del aceite, crea oportunidades para diseñar estructuras sintéticas para modular las funciones celulares existentes o crear comportamientos completamente nuevos dentro de las células.

Los resultados aparecen en línea el 3 de agosto en la revista. Química de la naturaleza .

Las proteínas funcionan plegándose en formas tridimensionales específicas que interactúan con diferentes estructuras biomoleculares. Los investigadores creían anteriormente que las proteínas necesitaban estas formas fijas para funcionar. Pero en las últimas dos décadas, Se ha descubierto una gran clase nueva de proteínas intrínsecamente desordenadas (IDP) que tienen grandes regiones que son "flojas", es decir, no se pliegan en una forma tridimensional definida. Ahora se entiende que estas regiones juegan un papel importante, papel previamente no reconocido en el control de diversas funciones celulares.

Los desplazados internos también son útiles para aplicaciones biomédicas porque pueden experimentar transiciones de fase:cambiar de líquido a gel, por ejemplo, o de un estado soluble a uno insoluble, y viceversa, en respuesta a los desencadenantes ambientales, como cambios de temperatura. Estas características también dictan su comportamiento de fase en entornos celulares y se controlan ajustando características de los IDP, como su peso molecular o la secuencia en la que los aminoácidos se unen entre sí.

"Aunque hay muchos desplazados internos naturales que muestran un comportamiento de fase en las células, vienen en muchos sabores diferentes, y ha sido difícil discernir las reglas que rigen este comportamiento, "dijo Ashutosh Chilkoti, el Profesor Distinguido Alan L. Kaganov de Ingeniería Biomédica en Duke. "Este documento proporciona principios de ingeniería muy simples para programar este comportamiento dentro de una célula".

"Otros en el campo han adoptado un enfoque de arriba hacia abajo en el que realizarán un cambio a un desplazado interno natural y verán cómo cambia su comportamiento dentro de una célula, "dijo Michael Dzuricky, científico investigador que trabaja en el laboratorio de Chilkoti y primer autor del estudio. "Estamos adoptando el enfoque opuesto y construyendo nuestros propios desplazados internos artificiales a partir de principios termodinámicos simples. Esto nos permite a nosotros y a otros sintonizar con precisión una sola propiedad, la forma del diagrama de fase de los desplazados internos, para comprender mejor cómo este parámetro afecta el comportamiento biológico".

En el nuevo periódico los investigadores comienzan buscando en la naturaleza ejemplos de desplazados internos que se unen para formar "condensados ​​biomoleculares" dentro de las células. Estas estructuras débilmente unidas permiten que las células creen compartimentos sin construir también una membrana para encapsularlos. Utilizando uno de esos desplazados internos de la mosca común de la fruta como base, los investigadores se basan en su extensa historia de trabajo con los desplazados internos para diseñar una versión artificial molecularmente más simple que conserva el mismo comportamiento.

Esta versión más simple permitió a los investigadores realizar cambios precisos en el peso molecular del IDP y los aminoácidos de los IDP. Los investigadores muestran que, dependiendo de cómo se modifiquen estas dos variables, los desplazados internos se unen para formar estos compartimentos a diferentes temperaturas en un tubo de ensayo. Y probando constantemente varios ajustes y temperaturas, los investigadores obtuvieron una sólida comprensión de qué parámetros de diseño son más importantes para controlar el comportamiento de los desplazados internos.

Un tubo de ensayo sin embargo, no es lo mismo que una célula viva, por lo que los investigadores luego dieron un paso más para demostrar cómo se comportan sus desplazados internos diseñados dentro de E. coli. Como se predijo, sus desplazados internos artificiales se agruparon para formar una pequeña gota dentro del citoplasma de la célula. Y debido a que ahora se comprendía tan bien el comportamiento de los desplazados internos, los investigadores demostraron que podían controlar de forma predecible cómo se fusionaban utilizando sus principios de probeta como guía.

"Pudimos cambiar las temperaturas en las células para desarrollar una descripción completa de su comportamiento de fase, que refleja nuestras predicciones de probeta, "dijo Dzuricky." En este punto, pudimos diseñar diferentes sistemas de IDP artificiales donde las gotas que se forman tienen diferentes propiedades de material ".

Dicho de otra manera, porque los investigadores entendieron cómo manipular el tamaño y la composición de los desplazados internos para responder a la temperatura, podrían programar a los desplazados internos para que formen gotitas o compartimentos de densidades variables dentro de las células. Para mostrar cómo esta habilidad podría ser útil para los ingenieros biomédicos, los investigadores luego utilizaron sus nuevos conocimientos, como suele hacer la naturaleza, para crear un orgánulo que realice una función específica dentro de una célula.

Los investigadores demostraron que podían utilizar los desplazados internos para encapsular una enzima para controlar su nivel de actividad. Variando el peso molecular de los desplazados internos, los desplazados internos retienen la enzima ya sea aumentada o disminuida, lo que a su vez afectó cuánto podría interactuar con el resto de la célula.

Para demostrar esta habilidad, los investigadores eligieron una enzima utilizada por E. coli para convertir la lactosa en azúcares utilizables. Sin embargo, en este caso, los investigadores rastrearon la actividad de esta enzima con un reportero fluorescente en tiempo real para determinar cómo el orgánulo IDP modificado estaba afectando la actividad enzimática.

En el futuro, los investigadores creen que podrían usar sus nuevos orgánulos IDP para controlar los niveles de actividad de biomoléculas importantes para estados patológicos. O para aprender cómo los desplazados internos naturales cumplen funciones celulares similares y comprender cómo y por qué a veces funcionan mal.

"Esta es la primera vez que alguien ha podido definir con precisión cómo la secuencia de proteínas controla el comportamiento de separación de fases dentro de las células, ", dijo Dzuricky." Usamos un sistema artificial, pero creemos que las mismas reglas se aplican a los desplazados internos naturales y estamos entusiasmados de comenzar a probar esta teoría ".

"Ahora también podemos empezar a programar este tipo de comportamiento de fase con cualquier proteína en una célula fusionándola con estos desplazados internos artificiales," ", dijo Chilkoti." Esperamos que estos desplazados internos artificiales proporcionen una nueva herramienta para que la biología sintética controle el comportamiento celular ".