Badanie sugeruje, że białka mogą dzielić i tworzyć kropelki wewnątrz komórek

W fizyce układ złożony z dwóch substancji można modelować zgodnie z klasyczną teorią mieszanin, która uwzględnia frakcję odpowiadającą każdemu składnikowi oraz interakcje między składnikami. Przykłady obejmują współistnienie faz o dużej i małej gęstości w przechłodzonej wodzie oraz współistnienie kałuż metalowych w matrycy izolacyjnej w przejściu Motta metal-izolator.

Motywowani tego rodzaju rozważaniami naukowcy z Uniwersytetu Stanowego w São Paulo (UNESP) w Rio Claro w Brazylii wykorzystali koncepcje fizyki materii skondensowanej do opisania podziału białek w komórkach i zaproponowali komórkową fazę podobną do Griffithsa w bezpośredniej analogii do kanonicznej magnetycznej fazy Griffithsa faza.

Badanie jest opublikowany w dzienniku Helijon. Ostatnim autorem i PI jest Mariano de Souza, profesor w Instytucie Nauk o Ziemi i Nauk Ścisłych (IGCE-UNESP), a pierwszym autorem jest doktor Lucas Squillante. kandydat na tej samej uczelni.

„W fazie magnetycznej Griffithsa w matrycach paramagnetycznych lub ferromagnetycznych pojawiają się odpowiednio namagnesowane lub nienamagnesowane obszary, powodując znaczne zmniejszenie dynamiki układów. Te tak zwane „rzadkie obszary” pojawiają się w sposób losowy. W poprzedniej pracy , zbadaliśmy elektroniczną fazę podobną do Griffithsa na skraju przejścia Motta metal-izolator. W tym badaniu skupiliśmy się na kropelkach białek tworzących się wewnątrz komórek jako „rzadkich regionach”, bezpośrednio analogicznie do magnetycznej fazy Griffithsa” – powiedział Souza.

Produkcja białek wewnątrz komórki może osiągnąć próg, który powoduje rozdzielenie fazy ciecz-ciecz i podział białek w postaci kropelek. „Korzystając z narzędzi termodynamiki, takich jak parametr Grüneisena, model Flory’ego-Hugginsa i model Avramova-Casaliniego, pokazujemy, że dynamika komórkowa jest dramatycznie zmniejszona w pobliżu linii binodalnej, która określa rozdział faz, a także dla równoważnego białka/rozpuszczalnika koncentracji, powodując fazę komórkową podobną do Griffithsa” – powiedział Souza.

W badaniu zaproponowano także, że faza komórkowa typu Griffithsa jest powiązana z powstaniem życia i pojawieniem się organizmów pierwotnych, zgodnie z klasyczną teorią sformułowaną przez rosyjskiego biologa i biochemika Aleksandra Oparina (1894–1980) w latach trzydziestych XX wieku, gdyż dopiero koacerwaty (kropelki cząsteczek organicznych skupione w roztworze wodnym) o powolnej dynamice przetrwały i ewoluowały.

„To z kolei można powiązać z podstawową rolą homochiralności w ewolucji życia” – stwierdził Souza. Chiralność to właściwość obiektu lub cząsteczki, co oznacza, że ​​nie można jej nałożyć na swoje lustrzane odbicie. Na przykład ludzkie ręce są chiralne. Homochiralność to przewaga pojedynczej chiralności w cząsteczkach układu biologicznego.

Naukowcy wykazali w badaniu, że wydłużeniu czasu dyfuzji białka towarzyszy zmniejszenie wahań stochastycznych w komórce, co z kolei jest kluczem do optymalizacji ekspresji genów. Badanie oferuje alternatywne podejście do badania dynamiki podziału białek na przedziały, które może mieć zastosowanie również w innych układach biologicznych.

„Zasadnicza rola, jaką odgrywa rozdział fazy ciecz-ciecz w rozwoju i leczeniu chorób, jest szeroko omawiana w literaturze, szczególnie w odniesieniu do powstawania nowotworów. Pomysł jest taki, że białka kodowane przez geny związane z takimi chorobami mogą być podzielone na przedziały, co wpływa na ich rolę w mutacjach komórkowych” – powiedział Marcos Minicucci, profesor medycyny klinicznej na UNESP Botucatu i współautor artykułu.

Inne przykłady roli, jaką odgrywa separacja faz, obejmują zaćmę (gdzie separacja faz w siatkówce może powodować zaburzenia widzenia), choroby neurodegeneracyjne, a nawet COVID-19 (gdzie koacerwacja białka N SARS-CoV-2 może tłumić wrodzoną odpowiedź immunologiczną na wirusa). Niedawno doniesiono, że rozdział faz związany z białkiem 1 hamującym ferroptozę (FSP1) można zastosować w skutecznej interwencji terapeutycznej przeciwko rakowi.

„Oddzielenie fazy ciecz-ciecz wpływa inaczej na każdą chorobę, a tworzenie kropelek białka może być korzystne lub nie. Faza komórkowa typu Griffithsa, którą proponujemy, może mieć znaczący wpływ na leczenie chorób, a nawet leczenie” – powiedział Minicucci. Badanie przeprowadzone przez grupę Souzy pokazuje, jak ważna jest interdyscyplinarność w projektach z zakresu nauk podstawowych.

Pozostali współautorzy, oprócz Squillante, Minicucci i Souza, to Antonio Seridonio (UNESP Ilha Solteira), Roberto Lagos-Monaco (UNESP Rio Claro), Aniekan Magnus Ukpong (Uniwersytet KwaZulu-Natal, Pietermaritzburg, Republika Południowej Afryki), Luciano Ricco (Uniwersytet Islandii) i Isys Mello, doktorantka. kandydat nadzorowany przez Souzę.