Un'illustrazione di parte di un organello sintetico senza membrana. Qui vediamo due strati che si separano in fase come l'olio e l'acqua, ma entrambi gli strati sono acqua. Non c'è olio. Ogni strato contiene un soluto diverso che gli conferisce la propria termodinamica chimica, tenendolo separato dall'altro. Le reazioni chimiche si susseguono da uno strato all'altro in una reazione a catena. Le molecole illustrate all'esterno sono zuccheri chiamati destrano, un soluto. Lo strato intermedio grigio contiene un enzima, raffigurati come piccole sfere gialle che effettueranno un passaggio nella cascata di reazione. Credito:Georgia Tech
Un paio di zuccheri, un pizzico di enzimi, un pizzico di sale, una spruzzata di glicole polietilenico, accuratamente disposti in bagni d'acqua. E i ricercatori avevano realizzato un organello sintetico, che hanno usato in un nuovo studio per esplorare una strana biochimica cellulare.
I ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno realizzato il medley chimico in laboratorio per imitare da vicino gli organelli senza membrana, mini-organi nelle cellule che non sono contenuti in una membrana ma esistono come pozze di soluzioni acquose. E il loro modello ha dimostrato come, con pochi ingredienti, gli organelli potrebbero svolgere processi biologici perfezionati.
I ricercatori hanno pubblicato i risultati del loro studio sulla rivista Materiali e interfacce applicati ACS per il 26 settembre edizione 2018. La ricerca è stata finanziata dal National Institute of General Medical Science del National Institutes of Health e dalla National Science Foundation.
Una rapida occhiata agli organelli senza membrana dovrebbe aiutare a comprendere il significato della ricerca.
Cosa sono gli organelli senza membrana?
La scoperta di organelli che sono pozze di soluzioni acquose e non oggetti con membrane è abbastanza recente. Un primo esempio è il nucleolo. Risiede all'interno del nucleo della cellula, che è un organello che ha una membrana.
Nel passato, i ricercatori pensavano che il nucleolo scomparisse durante la divisione cellulare e riapparisse in seguito. Intanto, i ricercatori hanno scoperto che il nucleolo non ha membrana e che durante la divisione cellulare si diffonde come fanno le bolle d'acqua nella vinaigrette che è stata scossa.
In un vile, tre fasi di soluzioni acquose si separano in tre strati. Negli organelli privi di membrana, reazioni chimiche si verificano alle interfacce di tali strati, elaborare un reagente passo dopo passo e spostare il prodotto di reazione da uno strato al successivo. Credito:Georgia Tech / Rob Felt
"Dopo la divisione cellulare, il nucleolo ritorna insieme come un unico compartimento di fluido, "ha detto Shuichi Takayama, ricercatore principale dello studio e professore presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica di Wallace E. Coulter presso la Georgia Tech e la Emory University.
Gli organelli privi di membrana possono essere costituiti da poche diverse soluzioni acquose, ciascuno con diversi soluti come proteine o zucchero o RNA o sale. Differenze nella termodinamica delle soluzioni, questo è, come rimbalzano le loro molecole, impedire loro di fondersi in un'unica soluzione.
Anziché, separano le fasi come fanno l'olio e l'acqua, anche dopo aver mescolato. Ma in questo caso non c'è olio.
"Sono tutte acque, " Ha detto Takayama. "Semplicemente non si mescolano tra loro perché hanno soluti diversi".
Quali processi realistici ha dimostrato l'esperimento sintetico?
Durante la mescolanza, accadono cose importanti. Il nucleolo, Per esempio, è fondamentale per la trascrizione del DNA. Ma l'impianto sintetico, una raccolta di soluzioni acquose realizzate dal primo autore dello studio, Taisuke Kojima, ha effettuato una serie più semplice di reazioni che hanno dimostrato come gli organelli privi di membrana potessero guidare la lavorazione dello zucchero.
All'interno del nucleo, visto qui come una sfera viola, è una sfera viola più piccola, il nucleolo, che è il più importante organello senza membrana nelle nostre cellule. Credito:CNX OpenStax / Scarica gratuitamente su cnx.org/contents/[email protected] / licenza creative commons
"Avevamo tre fasi di soluzioni che contenevano reagenti diversi, " ha detto Kojima. "Era come una palla con tre strati:una soluzione esterna, una soluzione intermedia, e una soluzione fondamentale. Il glucosio era nello strato esterno; un enzima, glucosio ossidasi, era nel secondo strato, e la perossidasi di rafano era nel nucleo insieme a un substrato colorimetrico che ci ha dato un segnale visibile quando si è verificata l'ultima reazione che stavamo cercando".
Il glucosio nello strato esterno si interfaccia con la glucosio ossidasi nel secondo strato, che catalizzava il glucosio in perossido di idrogeno. È atterrato nel secondo strato e si è interfacciato con la perossidasi di rafano nello strato centrale, che lo ha catalizzato nello strato centrale insieme a quel composto che trasforma i colori.
"Questo tipo di reazione a cascata è ciò che ci si aspetterebbe di vedere eseguire organelli senza membrana, "Ha detto Takayama.
La cascata ha persino trasportato ogni prodotto di reazione da un compartimento all'altro, qualcosa di molto tipico nei processi biologici, come organi che digeriscono il cibo o un organello che processa molecole.
Cosa può insegnarci una scoperta a sorpresa?
Parte della reazione ha colto di sorpresa i ricercatori, e ha portato a una nuova scoperta.
Il nucleolo, al centro del nucleo della cellula, è l'organello più prominente senza una membrana. Una volta si pensava che scomparisse durante la divisione cellulare e poi riapparisse. Poiché esiste in soluzione, in realtà, viene scosso in pezzi che tornano insieme come un unico pezzo. Credito:CNX OpenStax / Scarica gratuitamente da cnx.org/contents/[email protected] / commons license
"Quando i ricercatori pensano agli organelli senza membrana, spesso pensiamo che le reazioni al loro interno siano più efficienti quando i loro enzimi e substrati si trovano nello stesso compartimento, " ha detto Takayama. "Ma nei nostri esperimenti, che in realtà ha rallentato la reazione. Noi abbiamo detto, 'Wow, cosa sta succedendo qui?'"
"Quando il substrato si trova nello stesso punto in cui si accumula anche il prodotto della reazione, l'enzima a volte si confonde, e questo può impedire la reazione, " disse Kojima, che è un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Takayama. "Sono stato piuttosto sorpreso di vederlo."
Kojima mise gli enzimi e il substrato in soluzioni separate, che si interfacciava ma non si fondeva in un'unica soluzione, e la reazione nel suo organello sintetico ha funzionato in modo efficiente. Ciò ha mostrato come le sottigliezze inaspettate possano mettere a punto la chimica degli organelli.
"Era un regime di Riccioli d'Oro, non troppo contatto tra substrato ed enzima, non troppo poco, giusto, "Ha detto Takayama.
"Qualche volta, in una cella, un substrato non è abbondante e può necessitare di essere concentrato nel proprio piccolo compartimento e poi portato a contatto con l'enzima, " Takayama ha detto. "Al contrario, alcuni substrati possono essere molto abbondanti nel nucleo, e potrebbe essere importante separarli dagli enzimi per ottenere un contatto sufficiente per il giusto tipo di reazione".
