I biologi cellulari della Johns Hopkins riportano quella che ritengono sia la prima creazione in assoluto di minuscoli grumi simili a gelatina a base di proteine ​​chiamati idrogel all'interno di cellule viventi. La capacità di creare idrogel su richiesta, dicono, dovrebbe far avanzare la lunga lotta scientifica per studiare le strutture sfuggenti - che si formano in natura quando proteine ​​o altre molecole si aggregano in determinate condizioni - e per scoprire i loro sospetti contributi alle malattie umane.

"La parte eccitante di questo lavoro non è solo che abbiamo realizzato idrogel, ma che ora siamo dotati di questa potente tecnica che ci consente di porre domande fondamentali e molto impegnative su di loro, "dice Takanari Inoue, dottorato di ricerca, professore associato di biologia cellulare presso la Johns Hopkins University School of Medicine e autore senior del rapporto sulla ricerca pubblicato online il 6 novembre sulla rivista Materiali della natura .

Un idrogel è qualsiasi materiale gel solido che tiene insieme a causa di strette connessioni tra le sue molecole ma assorbe anche molta acqua. Gli idrogel artificiali sono utilizzati in prodotti di uso quotidiano come lenti a contatto, pannolini usa e getta e gel per capelli, che sfruttano la loro natura amante dell'acqua.

Nelle cellule viventi, la maggior parte delle strutture galleggianti sono racchiuse da membrane che le aiutano a mantenere la loro forma nel citoplasma acquoso delle cellule. Ma quando le cellule sono sottoposte a stress, dal calore alla fame o all'infezione, le proteine ​​e le molecole di acido ribonucleico (RNA) possono aggregarsi in granuli di stress, che sono privi di membrane avvolgenti e spesso formano piccoli globi simili a gel per capelli sospesi in una vasca d'acqua.

Alcuni ricercatori hanno ipotizzato che l'accumulo di questi idrogel naturali possa essere collegato a malattie neurodegenerative, compresa la sclerosi laterale amiotrofica (SLA), e che troppi o troppo pochi granuli di stress potrebbero avere un impatto sulla capacità delle cellule di funzionare. Ma trovare prove è stato difficile, in parte perché altri tipi di idrogel all'interno delle cellule possono essere parti normali della fisiologia cellulare.

"Questi idrogel mancano di membrane, quindi è difficile isolarli e purificarli, " dice Inoue. "Sono così fragili che non possiamo semplicemente raccoglierli come possiamo con nuclei o mitocondri, " aggiunge. Ancora peggio, lui dice, quando il loro ambiente cambia, i granuli di stress passano dall'essere idrogel a un diverso tipo di struttura, chiamate goccioline liquide, allo stesso modo in cui il gel per capelli potrebbe dissolversi in acqua se lo riscaldi. Scienziati di tutto il mondo hanno cercato di iniettare idrogel chimici nelle cellule viventi per studiarli, ma di solito le cellule si ammalano, probabilmente a causa della tossicità delle sostanze chimiche.

Nel tentativo di superare tali ostacoli allo studio, Il team di Inoue ha progettato un sistema che hanno soprannominato iPOLYMER, composto da due proteine ​​leganti, FKBP e FRB, e una sostanza chimica e farmaco immunosoppressiva chiamata rapamicina. I ricercatori sapevano già che la rapamicina poteva essere utilizzata per mediare le interazioni tra FKBP e FRB.

Precedenti studi avevano dimostrato che senza rapamicina presente, FKBP e FRB esistono come proteine ​​separate, ma una volta aggiunta la rapamicina, si lega ad entrambi, unendo le proteine ​​in un complesso solido. Progettare le proteine ​​in modo che formassero la giusta struttura fisica per gli idrogel ha richiesto molti tentativi ed errori, dice Inoue.

Per creare iPOLYMER nelle cellule viventi, i ricercatori hanno progettato cellule per contenere due tipi di stringhe proteiche composte da FKBP e FRB in tandem, e poi ha aggiunto rapamicina, che di solito non si trova nelle cellule viventi. Osservando queste cellule al microscopio mentre aggiungevano rapamicina, Il team di Inoue ha potuto vedere la formazione di idrogel.

"Per quello che ci risulta, questa è la prima volta che qualcuno ha creato un idrogel in una cellula vivente in questo modo, " dice Inoue.

Gli scienziati stanno ora modificando il sistema iPOLYMER in modo che gli idrogel integrino le molecole di RNA nelle loro strutture, rendendoli mimi migliori dei granuli di stress osservati nelle cellule umane. Gli scienziati vorrebbero anche creare un sistema in cui le proteine, FKBP e FRB, formano goccioline liquide in modo che possano confrontare gli effetti delle goccioline liquide e delle forme di idrogel delle strutture proteiche.