Una herramienta que utiliza la luz para manipular la materia dentro de las células vivas ha comenzado a explicar cómo las proteínas se ensamblan en diferentes estados sólidos líquidos y gelatinosos, una clave para comprender muchas operaciones celulares críticas.
Maravillas de complejidad, las células albergan miles de reacciones químicas simultáneas. Algunas reacciones ocurren dentro de compartimentos especializados, llamados orgánulos. Sin embargo, algunos orgánulos carecen de membrana para separarse del resto de la materia que flota dentro de las células. Estos orgánulos sin membranade alguna manera persisten como estructuras autónomas en medio de un mar celular de agua, proteínas, ácidos nucleicos y otras moléculas.
Los científicos de la Universidad de Princeton han desarrollado una nueva herramienta, llamada optoDroplet, que ofrece acceso sin precedentes a la manipulación y comprensión de la química que permite que funcionen los orgánulos sin membrana.
"Esta herramienta optoDroplet está comenzando a permitirnos diseccionar las reglas de física y química que rigen el autoensamblaje de orgánulos sin membrana", dijo Clifford Brangwynne, profesor asistente de ingeniería química y biológica en Princeton y autor principal de un artículopublicado en línea en Celda el 29 de diciembre. "Los mecanismos básicos que subyacen a este proceso son muy poco conocidos, y si lo manejamos, podría haber una esperanza para desarrollar intervenciones y tratamientos para enfermedades devastadoras relacionadas con la agregación de proteínas, como la ELA."
Investigaciones anteriores han demostrado que los orgánulos sin membrana se ensamblan dentro de la célula mediante un proceso conocido como transición de fase: ejemplos de transiciones de fase conocidas incluyen la condensación de vapor de agua en gotas de rocío o congelación de agua líquida en hielo sólido. Estudios realizados en los últimos años por Brangwynney sus colegas han revelado que alterar la concentración de ciertas proteínas, o modificar su estructura, parece desencadenar un cambio de fase que permite que las proteínas se condensen en orgánulos similares a gotas.
Hasta la fecha, sin embargo, la mayoría de los estudios han utilizado proteínas purificadas estudiadas en tubos de ensayo, y los investigadores han tenido pocos métodos para estudiar las transiciones de fase en las dinamos frenéticas que son células vivas. OptoDroplets ayudará a los científicos a saber cuándo las transiciones de fase salen mal, produciendogeles sólidos y agregados cristalinos de proteínas implicadas en enfermedades como el Alzheimer y la esclerosis lateral amiotrófica ELA.
OptoDroplet se basa en una técnica llamada optogenética, que involucra proteínas cuyo comportamiento puede ser alterado por la exposición a la luz. Las células son principalmente agua y, por lo tanto, esencialmente transparentes. Los investigadores demostraron que podían inducir transiciones de fase y crear orgánulos sin membrana al encender elproteínas activadas por la luz. También podrían deshacer las transiciones simplemente apagando la luz. El aumento de la intensidad de la luz y las concentraciones de proteínas permitieron a los investigadores controlar aún más la transición. Al cambiar esas entradas, pueden determinar cuándo se forman gotas de proteína líquida condensada, comoasí como sólidos, agregados de proteínas, posiblemente vinculados a enfermedades.
"OptoDroplet nos proporciona un nivel de control que podemos usar para mapear con precisión lo que llamamos el diagrama de fase en las células vivas", dijo Brangwynne. "Con eso, estamos comenzando a comprender cómo las células usan su maquinaria natural para moverse a través de estodiagrama de fase intracelular para ensamblar diferentes tipos de orgánulos "
El autor principal del artículo es Yongdae Shin, becario postdoctoral en el Grupo de Materia Suave de Brangwynne, parte del Departamento de Ingeniería Química y Biológica de Princeton. Los coautores Joel Berry y Mikko Haataja del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial ayudaron a desarrollarmodelos matemáticos para comprender el comportamiento de la fase intracelular, mientras que Nicole Pannucci y Jared Toettcher del Departamento de Biología Molecular son expertos en optogenética y ayudaron a guiar el diseño molecular de las proteínas optoDroplet. El trabajo fue apoyado en parte por los Institutos Nacionales de Salud y elFundación Nacional de Ciencia.
Utilizando células humanas y de ratón, el equipo de investigación empalmó un gen para una proteína sensible a la luz de una planta llamada berro de oreja de ratón o Arabidopsis thaliana, un pariente de la col y la mostaza que es un pilar de la investigación genética.La exposición a la luz azul hace que la proteína se autoasocie, arrugándose sobre sí misma.
La etiqueta sensible a la luz se fusionó con componentes proteicos que se cree que conducen las transiciones de fase en las células vivas. Usando la luz, los investigadores descubrieron que podían inducir a las proteínas a agruparse, imitando el proceso de condensación que ocurre naturalmente en las células ".Si utilizamos la analogía del vapor de agua, puede pensar en lo que hicimos al usar un láser para cambiar localmente la temperatura de alguna área del aire para que las gotas de agua se condensaran ", dijo Brangwynne.
El equipo provocó repetidamente que las proteínas se condensaran y luego se disolvieran encendiendo y apagando la luz. El proceso resultó completamente reversible, incluso después de muchos ciclos. Sin embargo, con luz de alta intensidad o altas concentraciones de proteínas, los investigadores crearon semi-geles sólidos. Esos geles eran inicialmente reversibles, pero con el tiempo se solidificaron para formar agregados grumosos irreversibles, similares a los que se encuentran en algunas enfermedades.
"Hemos demostrado con optoDroplet que podemos ensamblar y desmontar fácilmente líquidos separados por fases, y no parecen causar ningún problema a la célula", dijo Brangwynne. "Pero los ensamblajes en forma de gel parecen ser más problemáticos, ya que durante muchos ciclos, se convierten en agregados persistentes con los que la célula ya no puede lidiar y que pueden comenzar a engullir procesos biológicos saludables ".
Un ejemplo es la proteína llamada FUS. La proteína FUS es crítica para las operaciones de la célula; ayuda a producir otras proteínas y reparar el ADN dañado. Pero decenas de mutaciones genéticas pueden hacer que la proteína FUS se vuelva demasiado pegajosa, lo que también conduce a la ELA.conocida como la enfermedad de Lou Gehrig. Una condición neurológica en la que los pacientes pierden la capacidad de controlar voluntariamente sus músculos, la ELA está marcada por grupos de proteínas que se acumulan en las células nerviosas. Esos grupos pueden provenir de FUS u otras proteínas que se agregan patológicamente, en lugar de permanecer tan dinámicosgotitas de líquido. La enfermedad de Huntington y el Alzheimer también involucran grupos de proteínas que obstruyen las células, lo que nuevamente sugiere que las transiciones de fase anormales en las células están estrechamente relacionadas con estas afecciones.
Edward Lemke, investigador del Laboratorio Europeo de Biología Molecular en Heidelberg, Alemania, que no participó en el estudio Cell, señaló la promesa de optoDroplet.
"Las proteínas dirigidas por optoDroplet son un componente importante de las proteínas de separación de fases, muchas de las cuales también están asociadas con enfermedades infames", dijo Lemke. "El sistema optoDroplet da acceso a la modulación del estado de estas proteínas dentro de la célula en unmoda mínimamente invasiva y altamente controlada, por lo que puede proporcionar nuevas ideas sobre cómo llevan a cabo su función ".
Brangwynne y sus colegas esperan continuar experimentando con optoDroplet para comprender mejor los comportamientos complejos de las células.
"Esta es una ciencia fundamental que estamos haciendo, respondiendo preguntas básicas sobre las transiciones de fase en las células", dijo Brangwynne. "Pero esperamos que estas ideas revelen no solo cómo funcionan las células sanas, sino también cómo pueden enfermarse,y quizás eventualmente curado "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Princeton, Escuela de Ingeniería . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :