Como sabe cualquier cocinero, algunos líquidos se mezclan bien entre sí, pero otros no. Por ejemplo, cuando se vierte una cucharada de vinagre en agua, basta con un breve movimiento para combinar bien los dos líquidos. Sin embargo, una cucharada de aceite vertida en agua se fusionará en gotitas que ninguna cantidad de agitación puede disolver. La física que gobierna la mezcla de líquidos no se limita a los cuencos para mezclar; también afecta el comportamiento de las cosas dentro de las células. Se sabe desde hace varios años que algunas proteínas se comportan como líquidos, y que algunas proteínas similares a líquidos no se mezclan. Sin embargo, Se sabe muy poco sobre cómo se comportan estas proteínas similares a líquidos en las superficies celulares.

"La separación entre dos líquidos que no se mezclan, como aceite y agua, se conoce como 'separación de fases líquido-líquido', y es fundamental para la función de muchas proteínas, "dijo Sagar Setru, un doctorado en 2021 graduado que trabajó con Sabine Petry, profesor de biología molecular, y Joshua Shaevitz, profesor de física y del Instituto Lewis-Sigler de Genómica Integrativa.

Estas proteínas no se disuelven dentro de la célula. En lugar de, se condensan consigo mismos o con un número limitado de otras proteínas, permitiendo que las células compartimenten ciertas actividades bioquímicas sin tener que envolverlas dentro de espacios delimitados por membranas.

"En biología molecular, el estudio de proteínas que forman fases condensadas con propiedades líquidas es un campo en rápido crecimiento, "dijo Bernardo Gouveia, un estudiante de posgrado en ingeniería química y biológica, trabajando con Howard Stone, el Profesor Donald R. Dixon '69 y Elizabeth W. Dixon de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, y presidente del departamento. Setru y Gouveia colaboraron como coautores en un esfuerzo por comprender mejor una de esas proteínas.

"Teníamos curiosidad sobre el comportamiento de la proteína TPX2 similar a un líquido. Lo que hace que esta proteína sea especial es que no forma gotas líquidas en el citoplasma como se había observado antes," pero en cambio parece sufrir una separación de fases en polímeros biológicos llamados microtúbulos, "dijo Setru." TPX2 es necesario para hacer redes ramificadas de microtúbulos, que es crucial para la división celular. TPX2 también se sobreexpresa en algunos cánceres, por lo que comprender su comportamiento puede tener relevancia médica ".

Los microtúbulos individuales son filamentos lineales que tienen forma de varilla. Durante la división celular, Se forman nuevos microtúbulos a los lados de los existentes para crear una red ramificada. Los sitios donde crecerán nuevos microtúbulos están marcados por glóbulos de TPX2 condensado. Estos glóbulos TPX2 reclutan otras proteínas que son necesarias para generar el crecimiento de microtúbulos.

Los investigadores tenían curiosidad sobre cómo se forman los glóbulos TPX2 en un microtúbulo. Descubrir, decidieron intentar observar el proceso en acción. Primero, modificaron los microtúbulos y TPX2 para que cada uno brille con un color fluorescente diferente. Próximo, colocaron los microtúbulos en un portaobjetos de microscopio, añadido TPX2, y luego miró para ver qué pasaba. También hicieron observaciones a una resolución espacial muy alta utilizando un poderoso enfoque de imágenes llamado microscopía de fuerza atómica.

"Descubrimos que TPX2 primero recubre todo el microtúbulo y luego se rompe en gotitas que están espaciadas uniformemente, similar a cómo el rocío de la mañana recubre una telaraña y se deshace en gotitas, "dijo Gouveia.

Setru, Gouveia y sus colegas encontraron que esto ocurre debido a algo que los físicos llaman inestabilidad de Rayleigh-Plateau. Aunque los no físicos pueden no reconocer el nombre, ya estarán familiarizados con el fenómeno, lo que explica por qué un chorro de agua que cae de un grifo se rompe en gotitas, y por qué una capa uniforme de agua en una hebra de telaraña se fusiona en cuentas separadas.

"Es sorprendente encontrar una física tan cotidiana en el mundo a nanoescala de la biología molecular, "dijo Gouveia.

Ampliando su estudio, Los investigadores encontraron que el espaciamiento y el tamaño de los glóbulos TPX2 en un microtúbulo está determinado por el grosor del recubrimiento TPX2 inicial, es decir, cuánto TPX2 está presente. Esto puede explicar por qué la ramificación de los microtúbulos está alterada en las células cancerosas que sobreexpresan TPX2.

"Usamos simulaciones para mostrar que estas gotas son una forma más eficiente de hacer ramas que simplemente tener un recubrimiento uniforme o unión de la proteína a lo largo del microtúbulo". "dijo Setru.

"Que la física de la formación de gotas, tan vívidamente visible a simple vista, tiene un papel que desempeñar a escala micrométrica, ayuda a establecer la creciente interfaz (sin juego de palabras) entre la física y la biología de la materia blanda, "dijo Rohit Pappu, el profesor de ingeniería Edwin H. Murty en la Universidad de Washington en St. Louis, que no participó en el estudio.

"Es probable que la teoría subyacente sea aplicable a una variedad de interfaces entre condensados ​​similares a líquidos y superficies celulares, "agrega Pappu." Sospecho que volveremos a este trabajo una y otra vez ".