Было обнаружено, что свойства «молекулярной пасты» биомолекулярных конденсатов закодированы в последовательности белка.

Биомолекулярные конденсаты представляют собой безмембранные центры конденсированных белков и нуклеиновых кислот внутри клеток, которые, как признают исследователи, связаны с растущим числом клеточных процессов и заболеваний. Исследования образования биомолекулярных конденсатов выявили уровни сложности, в том числе их способность вести себя как вязкоупругие материалы. Однако молекулярная основа этого пастообразного свойства неизвестна.

Благодаря сотрудничеству нескольких учреждений ученые Детской исследовательской больницы Св. Иуды изучили сети взаимодействия внутри конденсатов, чтобы лучше определить правила, связанные с их уникальными физическими свойствами.

Опубликовано в Физика природы, Результаты Определите временные рамки, связанные с этими реакциями, и объясните, почему конденсаты ведут себя как молекулярная замазка и как они могут «стареть», превращаясь в вязкоупругое твердое вещество, похожее на резиновый шарик.

«Конденсаты часто описывают как похожие на жидкости, но их физические свойства на самом деле могут сильно различаться», — объяснила доктор Таня Миттаг, соавтор исследования с кафедры структурной биологии. «Это зависит от последовательности белков внутри них и продолжительности образующихся взаимодействий».

Реактометры определяют свойства конденсаторов

Скорость, с которой мы взаимодействуем с миром, влияет на реакцию мира. Держите замазку в руке, и со временем она потечет сквозь пальцы. Бросьте его в стену, и он отскочит.

Правила, управляющие этим вязкоупругим поведением, основаны на взаимодействиях, происходящих внутри пасты, где ее образование и разрушение происходят в течение времени, закодированного в составляющих ее молекулах. Это означает, что если мы взаимодействуем с веществом с разной скоростью, вещество будет вести себя по-разному.

Биомолекулярные конденсаты действуют как центры взаимодействия для пространственной организации биомолекул в клетках. Их очевидное присутствие во всех клеточных функциях и их связь с заболеваниями, особенно нейродегенеративными заболеваниями, такими как боковой амиотрофический склероз и лобно-височная деменция, поставили фундаментальные вопросы, на которые необходимо ответить.

Хотя они привлекли внимание своим жидкоподобным поведением, таким как способность течь, обменивать вещества и растворяться по мере необходимости, их способность трансформироваться в более твердые структуры заставила ученых усомниться в этих фундаментальных физических свойствах.

Через Центр исследований биологии и биофизики гранул РНП Св. Джуда Миттаг ведет работу, направленную на понимание того, как свойства этих материалов определяются аминокислотными последовательностями белков, образующих конденсины.

Нынешние усилия основаны на многолетних исследованиях «молекулярных правил» биомолекулярных конденсатов, правил, которые определяют, как молекулы организуются в процессе разделения фаз.

Этикетки и прокладки необходимы на вязкоупругих соединениях.

Миттаг и ее коллеги ранее создали модель «наклеек и спейсеров», чтобы предсказать, как белки разделяются в работе, опубликованной в Науки В 2020 году.

«То, что мы называем липкими аминокислотами, создает парные взаимодействия, которые приводят к образованию сетевой жидкости», — говорит Миттаг, — «Теперь мы знаем, что образующиеся парные связи — насколько они стабильны и как долго они сохраняются — определяют вязкоупругие свойства. конденсат».

Расположение меток (аминокислот, которые образуют соединения с другими метками) и спейсеров (аминокислот, необходимых для формирования паттерна, расположения меток и взаимодействия с водой) может предсказать поведение разделения фаз в белках.

Теперь исследователи обнаружили, что поведение конденсаторов как упругих или вязких материалов зависит от силы взаимодействия меток.

«Если мы сможем вызвать более сильные взаимодействия, мы сможем подтолкнуть их поведение к более гибким свойствам», — сказал Миттаг. «Теперь мы понимаем, как это закодировано в последовательности белка».

Биомолекулярные конденсаты стареют, превращаясь в вязкоупругие твердые вещества.

Команда также исследовала, как стареют конденсаторы и изменяются их физические свойства с течением времени. Предыдущие работы в этой области были сосредоточены на том, как белки в стареющих конденсинах организуются в фибриллы, повторяя структуру белков с высокой степенью упорядоченности. Образование волокон связано с нейродегенеративными заболеваниями, такими как боковой амиотрофический склероз и лобно-височная деменция, но, как обнаружили исследователи, это всего лишь один из путей старения.

Исследователи также определили альтернативный путь старения конденсаторов. «Мы обнаружили, что если заменить спейсерные аминокислоты на те, которым больше нравится взаимодействовать с водой, мы сможем перевести конденсаты в твердое состояние, но они не будут кристаллическими», — сказал Уэйд Борчердс, соавтор из Департамента Структурная биология в Сент-Джуде: «Вместо этого это было липкое, эластичное твердое вещество, похожее на замазку, которая превратилась в резиновый шарик, который мог подпрыгивать, но один был твердым, а другой — нет».

«Исследование конденсинов помогает нам понять многие биологические процессы, которые всегда присутствовали в клетке, но не были поняты. Эта работа ставит этот тип биологии на количественную и физическую основу, а не рассматривает ее поверхностно», — объяснил Миттаг. «Теперь мы знаем, как свойства и переходы материала закодированы в последовательности белка и что на самом деле это вязкоупругое твердое вещество. Я думаю, это большой прорыв».