El mundo dentro de la célula humana se ha vuelto un poco más interesante en los últimos años a medida que se aclara el papel de una nueva estructura biológica.

Durante mucho tiempo se creyó que las operaciones más importantes en la célula ocurren dentro de los orgánulos. "Están allí para realizar determinadas funciones. Por ejemplo, las mitocondrias generan la energía con la que todo funciona, "explicó Aleksei Aksimentiev, profesor de física en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. "Lo que es común a todos ellos es que están rodeados por una membrana lipídica. Lo que la gente descubrió recientemente es que hay orgánulos que no tienen bicapas lipídicas. Se ensamblan espontáneamente en forma de gotitas. Y esos orgánulos tienen funciones particulares . "

En años recientes, con capacidades de imagen mejoradas, los roles, ocurrencia, y el comportamiento de estos orgánulos sin membrana se ha vuelto más claro. En 2017 se les dio un nombre:condensados ​​biológicos. Se cree que desempeñan un papel en la reparación y el envejecimiento del ADN, y los investigadores creen que una serie de enfermedades neurológicas están relacionadas con que el condensado no funcione correctamente, incluida la esclerosis lateral amiotrófica, o ELA, donde las células nerviosas se descomponen, que conduce a la pérdida de la función muscular.

"Digamos que tienes ADN y de repente se rompe. Por lo general, es algo realmente malo, porque no se puede replicar, pero hay una maquinaria que vendrá a repararla, ", explicó." Se forma una burbuja de condensado que atrae milagrosamente sólo las moléculas necesarias para reparar el ADN. Hay todo tipo de condensados ​​diferentes y todos reclutan las moléculas correctas de alguna manera ".

¿Cómo se forman espontáneamente estos orgánulos sin membrana? ¿Y cómo reclutan otras moléculas para ayudarlos?

La física de este proceso parece similar a la separación de fases, como cómo el aceite y el agua forman gotas espontáneamente en las condiciones adecuadas, pero con algunas diferencias. En la separación de fases normal, la temperatura suele motivar la separación. En biología, es un cambio de concentraciones.

"No sabemos exactamente cómo funciona, ", Dijo Aksimentiev." Estoy específicamente interesado en cómo ocurre este reclutamiento, y cómo las moléculas reconocen otras moléculas ".

Aksimentiev está utilizando la supercomputadora Frontera en el Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC), uno de los más rápidos del mundo, para comprender mejor este proceso. Durante la ultima decada, él y otros desarrollaron las herramientas y métodos para explorar el comportamiento de sistemas biológicos a nivel atómico utilizando simulaciones de dinámica molecular.

Aksimentiev es capaz de simular sistemas biológicos con millones de átomos que interactúan en un entorno realista durante microsegundos o incluso milisegundos, las escalas de tiempo en las que operan los sistemas biológicos. Las supercomputadoras actuales permiten simulaciones más rápidas, y permitir que los científicos hagan y respondan nuevas preguntas.

Incluso para los estándares del campo, Los condensados ​​biológicos son difíciles de estudiar computacionalmente. A diferencia de otros sistemas ordenados como proteínas con estructuras rígidas conocidas, o sistemas desordenados como el agua, Los condensados ​​biológicos son lo que se conoce como "parcialmente desordenado", un tipo de estructura particularmente difícil de simular.

Escribiendo en el Revista de letras de química física en mayo de 2020, Aksimentiev y el estudiante de posgrado Han-Yi Chou describieron simulaciones de dinámica molecular de grano grueso en Frontera que trazaban el diagrama de fase (una representación gráfica de los estados físicos de una sustancia en diferentes condiciones de temperatura y presión) de un condensado biomolecular particular, fusionado en sarcoma (FUS). Una proteína de unión de ADN / ARN nuclear, FUS regula diferentes pasos de la expresión génica, incluida la transcripción, empalme y transporte de ARNm. La investigación fue apoyada por subvenciones de la National Science Foundation y los National Institutes of Health.

Los investigadores demostraron que un modelo de dinámica molecular basado en partículas puede reproducir propiedades conocidas de separación de fases de un condensado FUS, incluyendo su concentración crítica y susceptibilidad a mutaciones.

También demostraron que podían utilizar la teoría del colapso de cadenas para determinar las propiedades termodinámicas del condensado y vincularlas a cambios en la forma de las moléculas de condensado individuales.

El comportamiento de un condensado biológico, con todas sus complejas interacciones inter e intramoleculares, puede describirse mediante un modelo de física de polímeros, ellos encontraron. Esto hace que el modelado por computadora sea una herramienta útil para descubrir el comportamiento de estos actores celulares aún misteriosos.

La investigación de Aksimentiev prepara el escenario para estudios futuros que dilucidarán los mecanismos moleculares que impulsan la formación de gotitas en condensados ​​biológicos más complejos. como los que reparan el ARN. El trabajo es un paso en un largo camino para dilucidar por completo el misterio de los condensados ​​biológicos en las células, otro truco de la naturaleza que se descubre lentamente.