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I ricercatori scoprono la fisica dietro formazione di microtubuli di ramificazione durante la divisione cellulare

Come tutto il cuoco sa, alcuni liquidi si mescolano bene a vicenda, ma altri non fanno. Per esempio, quando un cucchiaio da tavola di aceto è versato nell'acqua, le brevi scalpore bastano combinare completamente i due liquidi.

Tuttavia, un cucchiaio da tavola di petrolio versato nell'acqua si fonderà nelle goccioline che nessuna quantità di mescolatura può dissolvere. La fisica che governano la mescolanza dei liquidi non è limitata alle ciotole di mescolanza; egualmente pregiudica il comportamento delle cose dentro le celle.

È stato conosciuto per parecchi anni che alcune proteine si comportano come i liquidi e che alcune proteine del tipo di liquido non si mescolano insieme. Tuttavia, pochissimo è conosciuto circa come queste proteine del tipo di liquido si comportano sulle superfici cellulari.

“La separazione fra due liquidi che non si mescoleranno, come petrolio e l'acqua, è conosciuta come “la separazione di fase del liquido-liquido„ e è centrale alla funzione di molte proteine,„ ha detto Sagar Setru, un Ph.D. 2021 laureato chi ha lavorato con sia Sabine Petry, un professore di biologia molecolare che Joshua Shaevitz, un professore di fisica e l'istituto di Lewis-Sigler per genomica integrante.

Tali proteine non si dissolvono dentro la cella. Invece, condensano con se stessi o con un numero limitato di altre proteine, permettendo che le celle suddividano in compartimenti determinate attività biochimiche senza dovere avvolgerli a spazi diretti a membrana dell'interno.

“Nella biologia molecolare, lo studio delle proteine che formano le fasi condensate con i beni del tipo di liquido è un campo rapido crescente,„ ha detto Bernardo Gouveia, un prodotto chimico del dottorando e un'assistenza tecnica biologica, funzionamento con la pietra di Howard, Donald R. Dixon '69 ed Elizabeth W. Dixon professore di assistenza tecnica meccanica ed aerospaziale e presidenza del dipartimento. Setru e Gouveia hanno collaborato come co-primi autori su uno sforzo per capire meglio una tale proteina.

“Eravamo curiosi circa il comportamento della proteina del tipo di liquido TPX2. Che cosa fa questo speciale della proteina è che non forma le goccioline liquide nel citoplasma come avuto osservato prima, ma invece sembra subire la separazione di fase sui polimeri biologici chiamati microtubuli,„ ha detto Setru.

“TPX2 è necessario per la fabbricazione delle reti ramificate dei microtubuli, che è cruciale per divisione cellulare. TPX2 egualmente overexpressed in alcuni cancri, in modo da capire il suo comportamento può avere pertinenza medica.„

I diversi microtubuli sono filamenti lineari che sono bastoncini bastoncino nella forma. Durante la divisione cellulare, i nuovi microtubuli si formano dai lati di quei esistenti per creare una rete ramificata. I siti in cui i nuovi microtubuli si svilupperanno sono tracciati dai globuli di TPX2 condensato. Questi globuli TPX2 reclutano altre proteine che sono necessarie da generare la crescita del microtubulo.

I ricercatori erano curiosi circa come i globuli TPX2 si formano su un microtubulo. Per scoprire, hanno deciso di provare ad osservare il trattamento nell'atto. In primo luogo, hanno modificato i microtubuli e il TPX2 in modo che ciascuno emettesse luce con un colore fluorescente differente.

Dopo, hanno collocato i microtubuli su una diapositiva del microscopio, TPX2 aggiunto ed allora guardato per vedere che cosa sarebbe accaduto. Egualmente hanno fatto le osservazioni a risoluzione spaziale molto alta facendo uso di un approccio potente della rappresentazione chiamato microscopia atomica della forza.

“Abbiamo trovato che TPX2 primo ricopre l'interi microtubulo e poi smembramenti nelle goccioline che sono spaziate uniformemente a parte, simili a come la rugiada di mattina ricopre una ragnatela e gli smembramenti nelle goccioline,„ ha detto Gouveia.

Setru, Gouveia ed i colleghi hanno trovato che questo si presenta a causa di qualcosa chiamata dei fisici l'instabilità del Rayleigh-Plateau. Sebbene i non fisici non possano riconoscere il nome, già avranno una conoscenza di con il fenomeno, che spiega perché una corrente di acqua che cade dagli smembramenti di un rubinetto nelle goccioline e perché un rivestimento costante dell'acqua su un filo della ragnatela si fonde nelle perle separate.

“È sorprendente trovare tale fisica di ogni giorno nel mondo del nanoscale di biologia molecolare,„ ha detto Gouveia.

Estendendo il loro studio, i ricercatori hanno trovato che il gioco e la dimensione dei globuli TPX2 su un microtubulo è determinato dallo spessore del rivestimento iniziale TPX2 - cioè, quanto TPX2 è presente. Ciò può spiegare perché la ramificazione del microtubulo è alterata in cellule tumorali quelle overexpress TPX2.

Abbiamo usato le simulazioni per indicare che queste goccioline sono un più modo efficace di fare i rami che appena avendo un rivestimento costante o associazione della proteina tutta lungo il microtubulo.„

Sagar Setru, 2021 PhD laureato, Princeton University

“Che la fisica di formazione della gocciolina, così vivo visibile all'occhio nudo, ha un ruolo da minimizzare ai disgaggi di micrometro, le guide stabiliscono l'interfaccia crescente (nessun gioco di parole progettato) fra fisica morbida della materia e biologia,„ ha detto Rohit Pappu, Edwin H. Murty professore di assistenza tecnica all'università di Washington a St. Louis, che non è stata compresa nello studio.

“La teoria di fondo è probabile essere applicabile a un assortimento di interfacce fra i condensati del tipo di liquido e le superfici cellulari,„ aggiunge Pappu. “Sospetto che ritorneremo continuamente a questo lavoro.„

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.