Gli organelli all'interno delle cellule sono minuscoli motori che incapsulano processi che consentono alle cellule di vivere.

Ma gli scienziati hanno scoperto di recente che alcuni organelli non sono legati da una membrana, e studiare questi compartimenti nei batteri potrebbe aprire le porte alla comprensione di come far prosperare alcuni batteri, e come ostacolare gli altri.

Nell'ultima decade, gli scienziati si sono resi conto che le cellule eucariotiche, cellule che contengono un nucleo e organelli legati alla membrana, usano anche quelli che vengono chiamati organelli senza membrana. Questi organelli privi di membrana limitano una varietà di processi affinché le cellule possano funzionare correttamente, dice Antonio Vecchiarelli, assistente professore di molecolare, biologia cellulare e dello sviluppo presso l'Università del Michigan.

Ora, una revisione U-M guidata dallo studente laureato Christopher Azaldegui e comprendente Vecchiarelli e Julie Biteen, professore associato di chimica e biofisica, dimostra come gli organelli privi di membrana operino anche all'interno delle cellule batteriche. La revisione caratterizza 10 esempi di organelli senza membrana trovati in una varietà di batteri, che può essere regolato/formato da un processo chiamato separazione di fase liquido-liquido.

"Puoi pensarla come quando mescoli l'olio con l'aceto:rimangono entrambi liquidi, ma si separano l'uno dall'altro, " disse Vecchiarelli.

Le goccioline liquide si formano quando le biomolecole come le proteine ​​e gli acidi nucleici come l'RNA si separano dal citoplasma della cellula. Queste goccioline liquide si assemblano attraverso interazioni deboli:interazioni proteina-proteina o interazioni proteina-acido nucleico. Questi organelli privi di membrana sono coinvolti in un'ampia varietà di processi nei batteri come il metabolismo, organizzazione cromosomica, segregazione cromosomica, divisione cellulare, patogenesi e replicazione del DNA, traduzione e trascrizione.

È importante capire come funzionano questi organelli senza membrana perché sono molto più reattivi degli organelli legati alla membrana ai cambiamenti nel loro ambiente, inclusa la temperatura, l'acidità del citoplasma cellulare o la disponibilità di nutrienti nella cellula. Per esempio, Azaldegui descrive un trasportatore nel batterio della tubercolosi che può subire una separazione di fase per assemblare il macchinario necessario alla virulenza della tubercolosi. Interrompere quella separazione di fase liquido-liquido interromperebbe lo sviluppo della malattia del batterio.

Il laboratorio di Vecchiarelli in particolare studia il carbossisoma, un organello che fissa il carbonio trovato nei cianobatteri (spesso chiamati alghe blu-verdi), un tipo di batterio che può causare malattie negli esseri umani o in altri animali che lo incontrano. Ma il carbossisoma converte l'anidride carbonica dall'atmosfera in zucchero che i cianobatteri usano per crescere. I cianobatteri che si nutrono di anidride carbonica atmosferica svolgono un ruolo chiave nel sequestro globale del carbonio.

"A parte la loro capacità di produrre tossine, i cianobatteri sono anche responsabili della fissazione di quasi il 35% di tutto il carbonio globale, in gran parte a causa della capacità di concentrazione del carbonio del carbossisoma" ha detto Vecchiarelli. "Capire come il carbossisoma rimuove l'anidride carbonica dalla nostra atmosfera ha certamente ruoli importanti nella comprensione di come mitigare il cambiamento climatico".

Gli scienziati stanno iniziando solo ora a identificare gli organelli senza membrana nei batteri perché i batteri sono molto più piccoli delle cellule eucariotiche, dell'ordine da 10 a 100 volte più piccoli, dice Azaldegui. Con questa recensione, Azaldegui spera di fornire una piattaforma per studiare gli organelli senza membrana nei batteri in un modo più standardizzato, in questo caso, utilizzando una tecnica chiamata microscopia a super risoluzione, una tecnica che sviluppa nel laboratorio di Julie Biteen.

"Utilizzando la microscopia a fluorescenza per rilevare e individuare con precisione la posizione di una molecola alla volta, possiamo risolvere organizzazione e movimento, anche all'interno delle cellule batteriche. Questo approccio è particolarmente importante perché è compatibile con le cellule viventi, "disse Bitein, professore associato di chimica e biofisica.

I laser e la preparazione del campione non danneggiano le cellule, e l'imaging a fluorescenza viene eseguito in un microscopio da banco standard, al contrario della microscopia elettronica che richiede un'atmosfera sotto vuoto in cui le cellule non possono vivere.

"Nel laboratorio del professor Biteen, abbiamo sviluppato strumenti di microscopia a super risoluzione che infrangono il limite convenzionale di risoluzione per vedere effettivamente le strutture su una scala da 10 a 30 nanometri, " ha detto Azaldegui. "Ho iniziato a pensare a come questi strumenti sarebbero stati molto utili nello studio degli organelli senza membrana, e come posso sviluppare un modo più rigoroso e quantitativo per valutare queste goccioline nei batteri".