Il mondo all'interno della cellula umana è diventato un po' più interessante negli ultimi anni man mano che il ruolo di una nuova struttura biologica è diventato più chiaro.

Si è creduto a lungo che le operazioni più importanti nella cellula si verificassero all'interno degli organelli. "Sono lì per svolgere determinate funzioni. Ad esempio, i mitocondri generano l'energia su cui tutto funziona, " ha spiegato Aleksei Aksimentiev, professore di fisica all'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign. "Ciò che è comune a tutti loro è che sono circondati da una membrana lipidica. Quello che le persone hanno scoperto di recente è che ci sono organelli che non hanno doppi strati lipidici. Si assemblano spontaneamente sotto forma di goccioline. E quegli organelli hanno funzioni particolari ."

Negli ultimi anni, con capacità di imaging migliorate, i ruoli, occorrenza, e il comportamento di questi organelli privi di membrana è diventato più chiaro. Nel 2017 gli è stato dato un nome:condensati biologici. Si pensa che svolgano un ruolo nella riparazione e nell'invecchiamento del DNA, e i ricercatori ritengono che una serie di malattie neurologiche sia correlata al fatto che il condensato non funzioni correttamente, compresa la sclerosi laterale amiotrofica, o SLA, dove le cellule nervose si rompono, portando alla perdita della funzione muscolare.

"Diciamo che hai il DNA e improvvisamente ha una rottura. Di solito è una cosa davvero brutta, perché non può replicarsi, ma c'è un macchinario che verrà a ripararlo, " ha spiegato. "Si forma una bolla di condensa che attira miracolosamente solo le molecole necessarie per riparare il DNA. Ci sono tutti i tipi di condensati diversi e in qualche modo tutti reclutano le molecole giuste".

Come si formano spontaneamente questi organelli privi di membrana? E come reclutano altre molecole per aiutarli?

La fisica di questo processo sembra simile alla separazione di fase, come come olio e acqua formano spontaneamente goccioline nelle giuste condizioni, ma con alcune differenze. Nella normale separazione di fase, la temperatura di solito motiva la separazione. In biologia, è un cambiamento nelle concentrazioni.

"Non sappiamo esattamente come funziona, " ha detto Aksimentiev. "Sono particolarmente interessato a come avviene questo reclutamento, e come le molecole riconoscono altre molecole."

Aksimentiev sta usando il supercomputer Frontera presso il Texas Advanced Computing Center (TACC), uno dei più veloci al mondo, per comprendere meglio questo processo. Nell'ultima decade, lui e altri hanno sviluppato gli strumenti ei metodi per esplorare il comportamento dei sistemi biologici a livello atomico utilizzando simulazioni di dinamica molecolare.

Aksimentiev è in grado di simulare sistemi biologici con milioni di atomi interagenti in un ambiente realistico per microsecondi o addirittura millisecondi, le scale temporali in cui operano i sistemi biologici. I supercomputer odierni consentono dimensioni maggiori, simulazioni più veloci, e consentire agli scienziati di porre e rispondere a nuove domande.

Anche per gli standard del settore, i condensati biologici sono difficili da studiare computazionalmente. A differenza di altri sistemi ordinati come le proteine ​​con strutture rigide note, o sistemi disordinati come l'acqua, i condensati biologici sono ciò che è noto come "parzialmente disordinato", un tipo di struttura particolarmente difficile da simulare.

Scrivendo nel Journal of Physical Chemistry Letters nel maggio 2020, Aksimentiev e lo studente laureato Han-Yi Chou hanno descritto simulazioni di dinamica molecolare a grana grossa su Frontera che hanno tracciato il diagramma di fase (una rappresentazione grafica degli stati fisici di una sostanza in diverse condizioni di temperatura e pressione) di un particolare condensato biomolecolare, fuso nel sarcoma (FUS). Una proteina nucleare legante DNA/RNA, FUS regola diversi passaggi dell'espressione genica, compresa la trascrizione, splicing e trasporto dell'mRNA. La ricerca è stata supportata da sovvenzioni della National Science Foundation e del National Institutes of Health.

I ricercatori hanno dimostrato che un modello di dinamica molecolare basato su particelle può riprodurre proprietà note di separazione di fase di un condensato FUS, compresa la sua concentrazione critica e suscettibilità alle mutazioni.

Hanno anche dimostrato di poter utilizzare la teoria del collasso della catena per determinare le proprietà termodinamiche del condensato e collegarle ai cambiamenti nella forma delle singole molecole di condensato.

Il comportamento di un condensato biologico, con tutte le sue complesse interazioni inter e intramolecolari, può essere descritto da un modello fisico dei polimeri, hanno trovato. Ciò rende la modellazione al computer uno strumento utile per scoprire il comportamento di questi attori cellulari ancora misteriosi.

La ricerca di Aksimentiev pone le basi per studi futuri che chiariranno i meccanismi molecolari che guidano la formazione di goccioline in condensati biologici più complessi, come quelli che riparano l'RNA. Il lavoro è un passo in un lungo percorso per chiarire completamente il mistero dei condensati biologici nelle cellule, un altro trucco della natura lentamente scoperto.