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Les chercheurs découvrent la physique derrière la formation des microtubules étant branchés pendant la division cellulaire

Comme n'importe quel cuisinier sait, quelques liquides se mélangent bien les uns avec les autres, mais d'autres ne font pas. Par exemple, quand une cuiller à soupe de vinaigre est plue à torrents dans l'eau, un bref émoi suffit pour combiner complètement les deux liquides.

Cependant, une cuiller à soupe de pétrole plue à torrents dans l'eau fusionnera dans les gouttelettes qu'aucune quantité d'agitation ne peut dissoudre. La physique qui régissent le mélange des liquides ne sont pas limitées dans des bols mélangeurs ; elle affecte également le comportement des choses à l'intérieur des cellules.

On l'a connu pendant plusieurs années que quelques protéines se comportent comme des liquides et que quelques protéines comme un liquide ne se mélangent pas ensemble. Cependant, très peu est connu au sujet de la façon dont ces protéines comme un liquide se comportent sur les surfaces cellulaires.

« La séparation entre deux liquides qui ne se mélangeront pas, comme le pétrole et l'eau, est connue en tant que « la séparation de phase liquide-liquide », et elle est centrale au fonctionnement de beaucoup de protéines, » a dit Sagar Setru, un Ph.D. 2021 licencié qui travaill avec la Sabine Petry, un professeur de biologie moléculaire, et Joshua Shaevitz, un professeur de la physique et l'institut de Lewis-Sigler pour la génomique intégratrice.

De telles protéines ne dissolvent pas à l'intérieur de la cellule. Au lieu de cela, elles se condensent avec elles-mêmes ou avec un numéro limité d'autres protéines, permettant à des cellules de compartimenter certaines activités biochimiques sans devoir les envelopper les espaces liés par membrane d'intérieur.

« En biologie moléculaire, l'étude des protéines qui forment des phases condensées avec les propriétés comme un liquide est un inducteur rapidement croissant, » a dit Bernardo Gouveia, un produit chimique d'étudiant de troisième cycle et un bureau d'études biologique, fonctionnement avec la pierre de Howard, Donald R. Dixon '69 et Elizabeth W. Dixon professeur du bureau d'études mécanique et aérospatial, et présidence du service. Setru et Gouveia ont collaboré en tant que Co-premiers auteurs sur un effort pour comprendre mieux une telle protéine.

« Nous étions curieux au sujet du comportement de la protéine comme un liquide TPX2. Ce qui effectue cette offre spéciale de protéine est qu'elle ne forme pas les gouttelettes liquides dans le cytoplasme en tant qu'eu observé avant, mais semble au lieu subir la séparation de phase sur les microtubules appelés de polymères biologiques, » a dit Setru.

« TPX2 est nécessaire pour effectuer les réseaux branchés des microtubules, qui est essentiel pour la division cellulaire. TPX2 overexpressed également dans quelques cancers, ainsi la compréhension de son comportement peut avoir la pertinence médicale. »

Les différents microtubules sont des filaments linéaires qui sont comme une tige dans la forme. Pendant la division cellulaire, les microtubules neufs forment des côtés de celles existantes pour produire un réseau branché. Les sites où les microtubules neufs se développeront sont marqués par des globules de TPX2 condensé. Ces globules TPX2 recrutent d'autres protéines qui sont nécessaires pour produire de l'accroissement de microtubule.

Les chercheurs étaient curieux au sujet de la façon dont les globules TPX2 forment sur un microtubule. Pour découvrir, ils ont décidé d'essayer d'observer le procédé dans l'action. D'abord, ils ont modifié les microtubules et le TPX2 de sorte que chacun rougeoie avec une couleur fluorescente différente.

Ensuite, ils ont mis les microtubules sur un guide de microscope, TPX2 ajouté, et alors observé pour voir ce qui se produirait. Ils ont également effectué des observations à la résolution spatiale très élevée utilisant une microscopie atomique appelée de force d'approche puissante de représentation.

« Nous avons constaté que TPX2 premier vêtx le microtubule entier et puis se décompose les gouttelettes qui sont régulièrement espacées à part, assimilées à la façon dont la rosée de matin vêtx une toile d'araignée et se décompose des gouttelettes, » a dit Gouveia.

Setru, Gouveia et collègues ont constaté que ceci se produit à cause de quelque chose appel de physiciens l'instabilité de Rayleigh-Plateau. Bien que les non-physiciens puissent ne pas identifier le nom, ils seront déjà au courant du phénomène, qui explique pourquoi un courant d'eau tombant d'un robinet se décompose des gouttelettes, et pourquoi une couche uniforme de l'eau sur une boucle de toile d'araignée fusionne dans les talons indépendants.

« Elle est étonnante pour trouver une telle physique quotidienne dans le monde de nanoscale de la biologie moléculaire, » a dit Gouveia.

Étendant leur étude, les chercheurs ont constaté que l'écartement et la taille des globules TPX2 sur un microtubule est déterminé par l'épaisseur de la couche TPX2 initiale - c.-à-d., combien TPX2 coûte présent. Ceci peut expliquer pourquoi être branché de microtubule est modifié en cellules cancéreuses ces les overexpress TPX2.

Nous avions l'habitude des simulations pour prouver que ces gouttelettes sont plus de moyen efficace d'effectuer des succursales que juste ayant une couche uniforme ou grippement de la protéine tout au long de le microtubule. »

Sagar Setru, 2021 diplômé de PhD, Université de Princeton

« Qui la physique de la formation de gouttelette, tellement avec éclat visible à l'oeil nu, a un rôle à minimiser aux écailles de micromètre, les aides déterminent la surface adjacente croissante (aucun calembour destiné) entre la physique douce de question et biologie, » a dit Rohit Pappu, Edwin H. Murty professeur du bureau d'études à l'université de Washington à St Louis, qui n'était pas impliqué dans l'étude.

« La théorie fondamentale est susceptible de s'appliquer à un assortiment de surfaces adjacentes entre les condensats comme un liquide et les surfaces cellulaires, » ajoute Pappu. « Je soupçonne que nous revenions à ce travail maintes et maintes fois. »

Source:
Journal reference:

Setru, S. U., et al. (2021) A hydrodynamic instability drives protein droplet formation on microtubules to nucleate branches. Nature Physics. doi.org/10.1038/s41567-020-01141-8.