Studie legt nahe, dass Proteine ​​sich innerhalb von Zellen kompartimentieren und Tröpfchen bilden können

In der Physik kann ein aus zwei Stoffen bestehendes System nach der klassischen Mischungstheorie modelliert werden, die den jedem Bestandteil entsprechenden Anteil und die Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen berücksichtigt. Beispiele hierfür sind die Koexistenz von Phasen hoher und niedriger Dichte in unterkühltem Wasser und die Koexistenz von Metallpfützen in einer Isoliermatrix beim Mott-Metall-Isolator-Übergang.

Motiviert durch diese Art von Überlegung verwendeten Forscher der São Paulo State University (UNESP) in Rio Claro, Brasilien, Konzepte aus der Physik der kondensierten Materie, um die Kompartimentierung von Proteinen in Zellen zu beschreiben, und schlugen eine Zellphase vom Griffiths-Typ in direkter Analogie dazu vor kanonische magnetische Griffiths. Phase.

Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Heliyon. Der letzte Autor und Hauptforscher ist Mariano de Souza, Professor am Institut für Geowissenschaften und Exakte Wissenschaften (IGCE-UNESP), und der erste Autor ist Lucas Squillante, ein Ph.D. Kandidat an derselben Universität.

„In der Griffiths-Magnetphase entstehen magnetisierte oder nicht magnetisierte Regionen in paramagnetischen bzw. ferromagnetischen Matrizen, was zu einer erheblichen Verringerung der Dynamik der Systeme führt. Diese „seltenen Regionen“ entstehen zufällig. In früheren Arbeiten haben wir die Griffiths untersucht In dieser Studie konzentrierten wir uns auf Proteintröpfchen, die sich in Zellen als „seltene Regionen“ bilden, in direkter Analogie zur magnetischen Griffiths-Phase“, sagte Souza.

Die Proteinproduktion innerhalb einer Zelle kann einen Schwellenwert erreichen, der zu einer Flüssig-Flüssig-Phasentrennung und Kompartimentierung von Proteinen in Tröpfchen führt. „Mithilfe thermodynamischer Werkzeuge wie dem Grüneisen-Parameter, dem Flory-Huggins-Modell und dem Avramov-Casalini-Modell zeigen wir, dass die Zelldynamik in der Nähe der Binodallinie, die die Phasentrennung bestimmt, und auch für ein äquivalentes Protein/Lösungsmittel deutlich reduziert ist.“ Verhältnis, was zu einer Griffiths-ähnlichen Zellphase führt“, sagte Souza.

Die Studie legt auch nahe, dass die Griffiths-ähnliche Zellphase mit der Entstehung des Lebens und der Entstehung ursprünglicher Organismen in Zusammenhang steht, was mit der klassischen Theorie übereinstimmt, die der russische Biologe und Biochemiker Aleksandr Oparin (1894-1980) erst in den 1930er Jahren formuliert hat Koazervate (in einer wässrigen Lösung gruppierte Tröpfchen organischer Moleküle) mit langsamer Dynamik überlebten und entwickelten sich.

„Dies wiederum könnte mit der grundlegenden Rolle der Homochiralität in der Evolution des Lebens zusammenhängen“, sagte Souza. Chiralität ist die Eigenschaft eines Objekts oder Moleküls, das heißt, es kann nicht mit seinem Bild in einem Spiegel überlagert werden. Menschliche Hände sind zum Beispiel chiral. Homochiralität ist das Vorherrschen einer einzelnen Chiralität in den Molekülen eines biologischen Systems.

Die Forscher zeigen in der Studie, dass eine Verlängerung der Proteindiffusionszeit mit einer Verringerung der stochastischen Schwankungen in der Zelle einhergeht, was für die Optimierung der Genexpression unerlässlich ist. Die Studie bietet einen alternativen Ansatz zur Untersuchung der Dynamik der Proteinkompartimentierung, der auch auf andere biologische Systeme angewendet werden könnte.

„Die grundlegende Rolle, die die Flüssig-Flüssig-Phasentrennung bei der Entstehung und Behandlung von Krankheiten spielt, wird in der Literatur ausführlich diskutiert, insbesondere im Hinblick auf die Tumorentstehung. Die Idee ist, dass Proteine, die von Genen kodiert werden, die mit „solchen Krankheiten“ assoziiert sind, kompartimentiert werden können und dies Auswirkungen hat ihre Rolle bei zellulären Mutationen“, sagte Marcos Minicucci, Professor für klinische Medizin an der UNESP Botucatu und Mitautor des Artikels.

Weitere Beispiele für die Rolle der Phasentrennung sind Katarakte (wo Phasentrennung in der Netzhaut zu Sehstörungen führen kann), neurodegenerative Erkrankungen und sogar COVID-19 (wo die Koazervation des SARS-N-Proteins -CoV-2 die angeborene Immunantwort unterdrücken kann). das Virus). Kürzlich wurde berichtet, dass die Phasentrennung im Zusammenhang mit dem Ferroptose-supprimierenden Protein 1 (FSP1) für eine wirksame therapeutische Intervention gegen Krebs genutzt werden könnte.

„Die Flüssig-Flüssig-Phasentrennung wirkt sich auf jede Krankheit unterschiedlich aus, und die Bildung von Proteintröpfchen kann von Vorteil sein oder auch nicht. Die von uns vorgeschlagene Griffiths-ähnliche Zellphase kann einen erheblichen Einfluss auf das Krankheitsmanagement und sogar auf die Behandlung haben.“ Die von de Souzas Gruppe durchgeführte Studie zeigt die Bedeutung der Interdisziplinarität in grundlagenwissenschaftlichen Projekten.

Weitere Co-Autoren neben Squillante, Minicucci und Souza sind Antonio Seridonio (UNESP Ilha Solteira), Roberto Lagos-Monaco (UNESP Rio Claro), Aniekan Magnus Ukpong (Universität KwaZulu-Natal, Pietermaritzburg, Südafrika), Luciano Ricco (Universität von Island) und Isys Mello, ein Ph.D. Kandidat unter der Leitung von Souza.