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Os pesquisadores descobrem a física atrás da formação de microtubules de ramificação durante a divisão de pilha

Como todo o cozinheiro sabe, alguns líquidos misturam bem um com o otro, mas outro não fazem. Por exemplo, quando uma colher de vinagre é derramada na água, uma breve agitação basta combinar completamente os dois líquidos.

Contudo, uma colher de petróleo derramada na água coalescerá nas gotas que nenhuma quantidade de agitação pode dissolver. A física que governam a mistura dos líquidos não é limitada aos recipientes; igualmente afecta o comportamento das coisas dentro das pilhas.

Soube-se por diversos anos que algumas proteínas se comportam como líquidos e que algumas líquido-como proteínas não misturam junto. Contudo, pouco é sabido muito sobre como estes líquido-como proteínas se comportam em superfícies celulares.

“A separação entre dois líquidos que não misturarão, como o petróleo e a água, é sabida como “a separação de fase do líquido-líquido”, e ela é central à função de muitas proteínas,” disse Sagar Setru, um Ph.D. 2021 graduado quem trabalhou com a Sabine Petry, um professor da biologia molecular, e Joshua Shaevitz, um professor da física e instituto de Lewis-Sigler para a genómica Integrative.

Tais proteínas não se dissolvem dentro da pilha. Em lugar de, condensam-se com se ou com um número limitado de outras proteínas, permitindo que as pilhas dividam em compartimentos determinadas actividades bioquímicas sem ter que envolvê-las espaços do membrana-limite do interior.

“Na biologia molecular, o estudo das proteínas que formam fases condensadas com líquido-como propriedades é um campo ràpida crescente,” disse Bernardo Gouveia, um produto químico do aluno diplomado e uma engenharia biológica, funcionamento com pedra de Howard, Donald R. Dixon '69 e Elizabeth W. Dixon professor da engenharia mecânica e aeroespacial, e cadeira do departamento. Setru e Gouveia colaboraram como co-primeiros autores em um esforço para compreender melhor uma tal proteína.

“Nós éramos curiosos sobre o comportamento do líquido-como a proteína TPX2. O que faz este special da proteína é que não forma gotas líquidas no citoplasma como tido observado antes, mas parece pelo contrário submeter-se à separação de fase nos polímeros biológicos chamados microtubules,” disse Setru.

“TPX2 é necessário para fazer redes ramificadas dos microtubules, que é crucial para a divisão de pilha. TPX2 igualmente overexpressed em alguns cancros, assim que compreender seu comportamento pode ter a importância médica.”

Os microtubules individuais são os filamentos lineares que são haste-como na forma. Durante a divisão de pilha, os microtubules novos formam nos lados dos existências para criar uma rede ramificada. Os locais onde os microtubules novos crescerão são marcados por glóbulo de TPX2 condensado. Estes glóbulo TPX2 recrutam outras proteínas que são necessárias para gerar o crescimento do microtubule.

Os pesquisadores eram curiosos sobre como os glóbulo TPX2 formam em um microtubule. Para encontrar, decidiram tentar observar o processo na acção. Primeiramente, alteraram os microtubules e o TPX2 de modo que cada um incandescesse com uma cor fluorescente diferente.

Em seguida, colocaram os microtubules em uma corrediça do microscópio, TPX2 adicionado, e olhado então para ver o que aconteceria. Igualmente fizeram observações na definição espacial muito alta usando uma aproximação poderosa da imagem lactente chamada microscopia atômica da força.

“Nós encontramos que TPX2 primeiro reveste o microtubule inteiro e o quebra então acima nas gotas que são espaçadas uniformente distante, similares a como o orvalho da manhã reveste uma Web de aranha e a quebra acima em gotas,” disse Gouveia.

Setru, Gouveia e os colegas encontraram que este ocorre devido a algo atendimento dos físicos a instabilidade do Rayleigh-Platô. Embora os não-físicos não podem reconhecer o nome, já serão familiares com o fenômeno, que explica porque um córrego da água que cai de um torneira quebra acima em gotas, e porque um revestimento uniforme da água em uma costa da Web de aranha coalesce em grânulos separados.

“É surpreendente encontrar tal física diária no mundo do nanoscale da biologia molecular,” disse Gouveia.

Estendendo seu estudo, os pesquisadores encontraram que o afastamento e o tamanho dos glóbulo TPX2 em um microtubule estão determinados pela espessura do revestimento TPX2 inicial - isto é, quanto TPX2 esta presente. Isto pode explicar porque a ramificação do microtubule é alterada nas células cancerosas essas os overexpress TPX2.

Nós usamos simulações para mostrar que estas gotas são mais maneira eficaz de fazer ramos do que apenas tendo um revestimento uniforme ou emperramento da proteína durante todo o tempo o microtubule.”

Sagar Setru, 2021 graduado do PhD, Universidade de Princeton

“Que a física da formação da gota, tão vìvida visível ao olho nu, tem um papel a jogar para baixo nas escalas do micrômetro, as ajudas estabelecem a relação crescente (nenhuma chalaça pretendida) entre a física macia da matéria e biologia,” disse Rohit Pappu, Edwin H. Murty professor da engenharia na universidade de Washington em St Louis, que não foi envolvido no estudo.

“A teoria subjacente é provável ser aplicável a uma variedade das relações no meio líquido-como condensados e superfícies celulares,” adiciona Pappu. “Eu suspeito que nós estaremos vindo para trás a este trabalho a toda hora.”

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.