Dentro ogni cellula vivente, ci sono strutture minuscole chiamate organelli senza membrana. Queste minuscole centrali elettriche usano la chimica per stimolare il funzionamento interno di una cellula:movimento, divisione e persino autodistruzione.

Una collaborazione tra ingegneri della Princeton University e della Washington University di St. Louis ha sviluppato un nuovo modo di osservare il funzionamento interno e la struttura materiale di questi organelli di vitale importanza. La ricerca, pubblicato oggi in Chimica della natura , potrebbe portare a una serie di nuove applicazioni scientifiche, nonché una migliore comprensione di malattie come il cancro, Huntington e SLA.

"Sono come piccole gocce d'acqua:scorrono, hanno tutte le proprietà di un liquido, simili a gocce di pioggia, " ha detto Rohit Pappu, l'Edwin H. Murty Professor of Engineering presso la School of Engineering &Applied Science della Washington University. "Però, queste goccioline sono costituite da proteine ​​che si uniscono a molecole di RNA (ribonucleico)."

Nel passato, scrutare gli organelli si è rivelato difficile, a causa delle loro minuscole dimensioni. Clifford Brangwynne, professore associato in ingegneria chimica e biologica presso la School of Engineering and Applied Science di Princeton, e i suoi collaboratori, ha sviluppato una nuova tecnica, chiamata spettroscopia di correlazione di fluorescenza a scansione ultraveloce o usFCS, per ottenere una valutazione ravvicinata delle concentrazioni all'interno e sondare la porosità dei facsimili di organelli senza membrana. L'approccio utilizza le onde sonore per controllare la capacità di un microscopio di muoversi e quindi ottenere misurazioni senza calibrazione delle concentrazioni all'interno di organelli senza membrana.

Nella loro ricerca, Brangwynne e il suo team, compresi i ricercatori post-dottorato Ming-Tzo Wei e Shana Elbaum-Garfinkle, cellule usate prelevate da un nematode. Con noiFCS, sono stati in grado di misurare le concentrazioni proteiche all'interno degli organelli formati dalla proteina specifica, LAF-1. Questa proteina è responsabile della produzione di p-granuli, che sono assemblaggi proteici responsabili della polarizzazione di una cellula prima della divisione. Una volta che i ricercatori di Princeton sono stati in grado di sbirciare chiaramente negli organelli e visualizzare il LAF-1, quello che hanno trovato li ha sorpresi.

"Abbiamo scoperto che invece di essere goccioline densamente impacchettate, questi sono a densità molto bassa, strutture permeabili, " ha detto Brangwynne. "Non era il risultato previsto."

È stato allora che Pappu della Washington University e il suo assistente di ricerca laureato Alex Holehouse hanno cercato di dare un senso alle sorprendenti scoperte del gruppo di Princeton. Il laboratorio di Pappu è specializzato nella fisica dei polimeri e nella modellazione di organelli senza membrana.

"Siamo stati in grado di nuotare praticamente all'interno degli organelli per determinare quanto spazio è effettivamente disponibile. Mentre ci aspettavamo di vedere una piscina affollata, ne abbiamo trovata una con molto spazio, e acqua. Stiamo iniziando a capire che queste goccioline non saranno tutte uguali, " ha detto Pappo.

Nel caso degli organelli LAF-1, i ricercatori hanno scoperto che la formazione di goccioline ultra-diluite deriva da informazioni codificate nelle regioni intrinsecamente disordinate di queste sequenze proteiche. Le caratteristiche di quella sequenza assicurano che questa proteina sia una molecola altamente floscia, un po' come gli spaghetti cotti, manca la capacità di ripiegarsi in uno specifico, struttura ben definita. In contrasto, in altri organelli formati da proteine ​​diverse, le proprietà del materiale sono più simili a quelle del dentifricio o del ketchup. Brangwynne e Pappu stanno continuando a collaborare per capire come diverse sequenze proteiche codificano la capacità di formare goccioline con proprietà del materiale molto diverse. Questo lavoro ha implicazioni dirette per comprendere le funzioni biologiche degli organelli senza membrana e per capire come i cambiamenti a queste proprietà dei materiali diano origine a malattie come la neurodegenerazione o il cancro.

"C'è un'esplosione di applicazioni ingegneristiche e trasformazioni per la biologia cellulare meccanicistica che sono all'orizzonte. Questi progressi saranno accessibili man mano che impareremo di più sulla fondazione di questi organelli e su come la loro sequenza di amminoacidi determina le proprietà e la funzione del materiale, " ha detto Pappu. "Questi organelli stanno facendo cose straordinarie all'interno delle cellule, e una domanda davvero bella è:come possiamo imitarli?"

Pappu dice un giorno, i ricercatori potrebbero hackerare i principi di progettazione degli organelli per modellare qualsiasi cosa, dai laboratori di chimica intracellulare a minuscoli veicoli per la somministrazione di farmaci e agenti di imaging. Oltre alle applicazioni pratiche, ci sono anche potenziali implicazioni per la comprensione e la diagnosi di tutta una serie di malattie.

"E' fondamentale poter capire come si possono regolare le funzioni di queste goccioline, " disse Pappu. "Se ci riusciamo, l'impatto potrebbe essere trasformativo:non è solo il cancro, è neurodegenerazione, sui disturbi dello sviluppo, e anche i fondamenti della biologia cellulare."