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

In der Physik kann ein aus zwei Substanzen bestehendes System gemäß 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 isolierenden Matrix beim Mott-Metall-Isolator-Übergang.

Motiviert durch diese Art von Überlegung verwendeten Forscher der São Paulo State University (UNESP) in Rio Claro, Brasilien, Konzepte der Physik der kondensierten Materie, um die Proteinkompartimentierung in Zellen zu beschreiben, und schlugen eine zelluläre Griffiths-ähnliche Phase in direkter Analogie zu den kanonischen magnetischen Griffiths vor Phase.

Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Heliyon. Der letzte Autor und PI 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 magnetischen Griffiths-Phase entstehen magnetisierte oder nicht magnetisierte Regionen in paramagnetischen bzw. ferromagnetischen Matrizen, was zu einer erheblichen Verringerung der Dynamik der Systeme führt. Diese sogenannten „seltenen Regionen“ entstehen zufällig. In früheren Arbeiten „Wir haben die elektronische Griffiths-ähnliche Phase am Rande des Mott-Metall-Isolator-Übergangs untersucht. In dieser Studie haben wir uns auf die innerhalb von Zellen gebildeten Proteintröpfchen als ‚seltene Regionen‘ konzentriert, in direkter Analogie zur magnetischen Griffiths-Phase“, sagte Souza

Die Produktion von Proteinen innerhalb einer Zelle kann einen Schwellenwert erreichen, der zu einer Flüssig-Flüssig-Phasentrennung und Kompartimentierung von Proteinen in Form von 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 drastisch reduziert ist.“ Konzentration, was zu einer Griffiths-ähnlichen Zellphase führt“, sagte Souza.

Die Studie schlägt außerdem vor, dass die Griffiths-ähnliche Zellphase mit der Entstehung des Lebens und der Entstehung ursprünglicher Organismen in Verbindung steht, im Einklang mit der klassischen Theorie, die der russische Biologe und Biochemiker Aleksandr Oparin (1894–1980) in den 1930er Jahren formuliert hat Koazervate (Tröpfchen organischer Moleküle, die sich in einer wässrigen Lösung zusammenballen) mit langsamer Dynamik überlebten und entwickelten sich.

„Dies wiederum hängt möglicherweise mit der grundlegenden Rolle zusammen, die Homochiralität in der Evolution des Lebens spielt“, sagte Souza. Chiralität ist die Eigenschaft eines Objekts oder Moleküls, das heißt, sie kann nicht mit seinem Spiegelbild überlagert werden. Menschliche Hände sind zum Beispiel chiral. Homochiralität ist das Vorherrschen einer einzelnen Chiralität in 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 wiederum der Schlüssel zur Optimierung der Genexpression ist. Die Studie bietet einen alternativen Ansatz zur Untersuchung der Dynamik der Proteinkompartimentierung, der möglicherweise auch auf andere biologische Systeme anwendbar ist.

„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 mit solchen Krankheiten assoziierten Genen kodiert werden, kompartimentiert werden können und dass dies Auswirkungen hat.“ ihre Rolle bei der Zellmutation“, sagte Marcos Minicucci, Professor für klinische Medizin an der UNESP Botucatu und Mitautor des Artikels.

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

„Die Flüssig-Flüssig-Phasentrennung wirkt sich auf jede Krankheit anders aus, und die Bildung von Proteintröpfchen kann vorteilhaft sein oder auch nicht. Die von uns vorgeschlagene Griffiths-ähnliche Zellphase kann erhebliche Auswirkungen auf die Bewältigung und sogar Behandlung von Krankheiten haben“, sagte Minicucci. Die von Souzas Gruppe durchgeführte Studie zeigt die Bedeutung der Interdisziplinarität in Grundlagenforschungsprojekten.

Die anderen 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.