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Los investigadores destapan la física detrás de la formación de microtubules que se ramifican durante la división celular

Como cualquier cocinero sabe, algunos líquidos se mezclan bien con uno a, pero otros no hacen. Por ejemplo, cuando una cuchara de sopa de vinagre se vierte en el agua, una agitación abreviada es suficiente combinar a conciencia los dos líquidos.

Sin embargo, una cuchara de sopa de aceite vertida en el agua se unirá en las gotitas que ninguna cantidad de revolvimiento puede disolver. La física que regulan la mezcla de los líquidos no se limita a los bol grande; también afecta al comportamiento de cosas dentro de las células.

Se ha sabido por varios años que algunas proteínas se comportan como líquidos y que algunas líquido-como las proteínas no se mezclan juntas. Sin embargo, muy poco se sabe sobre cómo éstos líquido-como las proteínas se comportan en superficies celulares.

“La separación entre dos líquidos que no se mezclen, como el aceite y el agua, se conoce como “la separación de fase de dos líquidos”, y ella es central a la función de muchas proteínas,” dijo a Sagar Setru, un Ph.D. 2021 graduado quién trabajó con la Sabine Petry, profesor de la biología molecular, y Joshua Shaevitz, profesor de la física y el instituto de Lewis-Sigler para la genómica integrante.

Tales proteínas no disuelven dentro de la célula. En lugar, condensan con ellos mismos o con un número limitado de otras proteínas, permitiendo que las células dividan en compartimientos ciertas actividades bioquímicas sin tener que envolverlas los espacios del membrana-salto del interior.

“En biología molecular, el estudio de las proteínas que forman fases condensadas con líquido-como las propiedades es un campo rápidamente cada vez mayor,” dijo Bernardo Gouveia, una substancia química del estudiante de tercer ciclo y una ingeniería biológica, funcionamiento con la piedra de Howard, Donald R. Dixon '69 y Elizabeth W. Dixon profesor de la ingeniería mecánica y aeroespacial, y silla del departamento. Setru y Gouveia colaboraron como co-primeros autores en un esfuerzo de entender mejor una tal proteína.

“Éramos curiosos sobre el comportamiento del líquido-como la proteína TPX2. Qué hace este special de la proteína es que no forma gotitas líquidas en el citoplasma como tenido observado antes, sino que por el contrario parece experimentar la separación de fase en los polímeros biológicos llamados los microtubules,” dijo a Setru.

“TPX2 es necesario para hacer redes ramificadas de microtubules, que es crucial para la división celular. TPX2 también overexpressed en algunos cánceres, así que la comprensión de su comportamiento puede tener importancia médica.”

Los microtubules individuales son los filamentos lineales que están varilla-como en forma. Durante la división celular, los nuevos microtubules forman en los lados los existencias para crear una red ramificada. Los sitios en donde los nuevos microtubules crecerán son marcados por los glóbulos de TPX2 condensado. Estos glóbulos TPX2 reclutan otras proteínas que sean necesarias generar incremento del microtubule.

Los investigadores eran curiosos sobre cómo los glóbulos TPX2 forman en un microtubule. Para descubrir, decidían intentar observar el proceso en la acción. Primero, modificaron los microtubules y el TPX2 de modo que cada uno brillara intensamente con un diverso color fluorescente.

Después, colocaron los microtubules en una diapositiva del microscopio, TPX2 adicional, y entonces mirado para ver qué suceso. También hicieron observaciones en la resolución espacial muy alta usando una aproximación potente de la proyección de imagen llamada microscopia atómica de la fuerza.

“Encontramos que TPX2 primer recubre el microtubule entero y después se rompe hacia arriba en las gotitas que se espacian uniformemente aparte, similares a cómo el rocío de la mañana recubre una membrana de araña y se rompe hacia arriba en gotitas,” dijo a Gouveia.

Setru, Gouveia y los colegas encontraron que éste ocurre debido a algo lamamiento de los físicos la inestabilidad del Rayleigh-Platillo. Aunque los no-físicos pueden no reconocer el nombre, serán ya familiares con el fenómeno, que explica porqué una corriente del agua que cae de un grifo se rompe hacia arriba en gotitas, y porqué una capa uniforme de agua en un cabo de la membrana de araña se une en molduras separadas.

“Es asombrosamente encontrar la tal física diaria en el mundo del nanoscale de la biología molecular,” dijo a Gouveia.

Ampliando su estudio, los investigadores encontraron que la separación y la talla de los glóbulos TPX2 en un microtubule es determinada por el espesor de la capa inicial TPX2 - es decir, cuánto TPX2 está presente. Esto puede explicar porqué el ramificarse del microtubule se altera en las células cancerosas esas los overexpress TPX2.

Utilizamos simulaciones para mostrar que estas gotitas son un más modo eficaz de hacer brazos que apenas teniendo una capa uniforme o atascamiento de la proteína a lo lardo del microtubule.”

Sagar Setru, 2021 doctorado graduado, Universidad de Princeton

“Que la física de la formación de la gotita, tan vivo visible al aro descubierto, tiene un papel a minimizar en las escalas del micrómetro, las ayudas establecen el interfaz cada vez mayor (ningún retruécano previsto) entre la física suave de la materia y biología,” dijo a Rohit Pappu, Edwin H. Murty profesor de la ingeniería en la universidad de Washington en St. Louis, que no estuvo implicado en el estudio.

“La teoría subyacente es probable ser aplicable a un surtido de interfaces en medio líquido-como los condensados y las superficies celulares,” agrega Pappu. “Sospecho que volveremos a este trabajo una y otra vez.”

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.