Il meccanismo dell'auto-organizzazione molecolare è stato valutato in un nuovo modello dai ricercatori del Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization (MPIDS). Nel loro studio, hanno simulato come fattori ambientali come la temperatura influenzano la dimensione delle gocce d'olio nelle matrici elastiche. Lo studio aiuterà anche a comprendere la formazione di goccioline nelle cellule biologiche, dove le molecole biologiche si auto-organizzano in condensati. L'articolo completo è stato recentemente pubblicato sulla rinomata rivista PNAS .

In biologia, una corretta regolazione dell'interno della cellula è fondamentale per garantire la funzione dei processi biologici. Ancora, le cellule possono essere strutture molto complesse con diverse migliaia di tipi diversi di molecole e milioni di numeri di copie proteiche. Per organizzare questa vasta complessità, sono necessari diversi meccanismi per creare ambienti subcellulari che forniscano condizioni sia definite che dinamiche. Per esempio, gli organelli cellulari consentono la segregazione degli ambienti cellulari a causa della demarcazione tramite membrane. Però, anche nella matrice cellulare affollata è richiesta un'organizzazione strutturata delle biomolecole. Là, i cosiddetti condensati biomolecolari con una composizione molecolare definita possono formarsi spontaneamente. Esempi importanti di questo fenomeno includono i granuli di stress e i condensati trascrizionali. Questi condensati sono circondati da elementi strutturali elastici nella cella, compreso il citoscheletro e la cromatina nel nucleo. La domanda è:in che modo i condensati vengono influenzati dalle strutture elastiche e la cellula potrebbe utilizzare questa interazione per esercitare il controllo nell'ambiente cellulare dinamico?

Un modello fornisce l'accesso al regno dell'organizzazione molecolare

Poiché in pratica non è possibile seguire in tempo reale l'interazione dettagliata di milioni di molecole in una cellula, i ricercatori utilizzano modelli che descrivono le singole sfaccettature del fenomeno. "Stiamo usando goccioline di olio per rappresentare il materiale nel citosol e una rete polimerica per imitare l'impalcatura biologica", spiega Estefania Vidal-Henriquez, primo autore dello studio. "Lo sviluppo dinamico della dimensione delle goccioline in determinate condizioni ci fornisce informazioni su come le molecole biologiche sarebbero disposte in un ambiente cellulare". Il modello descrive la distribuzione delle diverse dimensioni delle gocce e la loro relativa abbondanza. Inoltre, ritiene che la matrice circostante potrebbe essere rotta, il che farebbe riferimento a un riarrangiamento dell'impalcatura biologica. Ciò significa che i condensati biomolecolari non sono limitati dalla dimensione delle maglie dell'ambiente circostante, ma sono in grado di crescere oltre.

Separazione di fase come meccanismo chiave

Un concetto potente per spiegare la crescita di tali condensati è la separazione di fase. Brevemente, a seconda delle condizioni, due sostanze saranno o mescolate o coesistere separate l'una dall'altra. Molteplici fattori possono influenzare la separazione di fase in biologia, come il pH, concentrazione, o temperatura. Nel modello, i ricercatori hanno utilizzato una modulazione della temperatura per studiare l'effetto della separazione di fase e della formazione di goccioline. Abbassando lentamente la temperatura del sistema, è stata osservata una nucleazione spontanea di goccioline di olio, che col tempo si ingrandivano assorbendo il materiale che li circondava. interessante, ad una velocità di raffreddamento più veloce più, ma si verificano goccioline più piccole. Quindi, la velocità con cui un fattore di influenza esterno cambia gioca un ruolo cruciale nella formazione della struttura.

"Con il nostro modello, descriviamo come la composizione molecolare può essere organizzata sulla microscala su una matrice elastica" riassume David Zwicker, autore senior dello studio e capogruppo presso il MPIDS. Per quanto riguarda l'effetto della modulazione della temperatura, aggiunge che "ci aspettiamo un comportamento simile per i condensati biomolecolari che spesso si formano in risposta a variazioni di temperatura, pH, o concentrazione di proteine ​​nelle cellule." Il modello fornisce le basi per descrivere la formazione di modelli microscopici sia in contesto tecnico che biologico.

La ricerca è stata pubblicata su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .