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I principi di scienza dell'alimentazione aiutano gli scienziati a capire i funzionamenti interni dei compartimenti cellulari

I ricercatori della medicina di Johns Hopkins riferiscono che i principi di scienza dell'alimentazione li hanno aiutati a determinare come le goccioline insolite all'interno delle celle restano organizzate ed evitano dissolversi nel resto dell'interno gelatinoso delle cellule.

I ricercatori dicono che il loro lavoro potrebbe avanzare la conoscenza scientifica dell'evoluzione delle cellule ed aiutare gli scienziati nell'alimento e nell'industria chimica a sviluppare i migliori modi tenere le miscele liquide dalla separazione.

Le celle di tutti gli organismi viventi tengono una collezione di mini commputer biologici chiamati organelli. Queste strutture eseguono i mitocondri della centrale elettrica delle cellule, il nucleo intelligente ed altre operazioni, tutti con un confine definito ed hanno imballato in una membrana. Tuttavia, ci sono altre parti delle cellule che compaiono come “chiazze viscose e senza membrana,„ ma hanno gli scopi distinti, quali i geni di regolamentazione, inviando i segnali o i siti di stoccaggio chimici per le molecole specializzate.

Gli scienziati hanno pensiero che lungo queste goccioline piuttosto mistificare potrebbero essere una versione primordiale degli organelli e dal il gruppo di ricerca guidato Hopkins di Johns lavorato con il laboratorio worms per studiarli più ulteriormente.

Un rapporto sui risultati del gruppo di ricerca circa queste goccioline, che sono chiamate condensati biomolecolari, compare il 10 settembre nella scienza.

Spero che questo lavoro contribuisca a convincere gli scienziati che i condensati biomolecolari siano compartimenti cellulari altamente specializzati. Abbiamo trovato che hanno regolamentato i ruoli e rispondono all'ambiente, appena come altri organelli. Ed abbiamo trovato che hanno membrane, appena non il tipo che siamo usati a vedere.„

Geraldine Seydoux, Ph.D., il professore di Huntington Sheldon nella scoperta medica e decano vice per ricerca di base alla scuola di medicina ed al ricercatore di Johns Hopkins University al Howard Hughes Medical Institute

I condensati biomolecolari erano “granuli„ in primo luogo definiti negli anni 70 dagli scienziati che hanno usato la microscopia elettronica per scrutare più molto attentamente alle strutture in molti organismi, compreso le creature deformate chiamate elegans del C., di cui la biologia relativamente semplice ha reso loro un modello comune del laboratorio per lo studio del tutto dalla tecnologia moderna di gene-taglio alla struttura della proteina. I condensati in vermi, che sembrano duri e simili nell'aspetto ai granuli della sabbia, sono conosciuti come granuli di P.

Nel 2014 nel laboratorio di Seydoux, il dottorando Jennifer Wang ha condotto le analisi genetiche per trovare una proteina chiamata MEG-3 in granuli del verme P. Gli esperimenti di Wang hanno indicato che un'altra proteina, PGL-3, crea le goccioline del liquido viscoso, “la memoria„ dei granuli di P e che MEG-3 bighellona sull'esterno del granulo di P, rimpicciolente “ragruppa„ quel cappotto la superficie dei granuli di P.

“Che cosa non abbiamo capito eravamo queste proteine potremmo durare appena l'esterno dei granuli di P eppure essere così integrale a stabilizzare l'interno dei granuli,„ dice Seydoux.

Il mistero era ancora non risolto quando, nel gennaio 2020, Seydoux stava cercando le giuste parole per descrivere le loro osservazioni. Ha googlato “i solidi che stabilizzano i liquidi„ ed ha trovato i riferimenti al concetto di scienza dell'alimentazione delle emulsioni di Pickering. “Ho avuto un momento di OMG quando ho letto più circa questo fenomeno,„ dico Seydoux.

Un'emulsione è una miscela di due liquidi che non si mescolano normalmente bene, come petrolio e l'acqua. Un'emulsione di Pickering è una tal miscela che è stabilizzata, come il cartone di ogni giorno di latte dalla drogheria.

Il latte di mucca non trattato è naturalmente instabile e le goccioline grasse in latte tendono a glom insieme per diminuire l'area globale fra le molecole grasse. Le molecole grasse - o crema - aumentano alla cima ed a parte dal siero di latte, o il liquido acquoso nel latte.

Per evitare la separazione del latte e per stabilizzare il liquido, le aziende di trasformazione della latteria spingono il latte attraverso un piccolo ago di stampa, che gli smembramenti le goccioline grasse, le ricopre di proteina chiamata caseina ed evita creare un livello cremoso di molecole grasse fuse.

Seydoux dice che si è presentato a lei che MEG-3 potrebbe agire in un modo molto simile all'effetto della caseina in latte, abbassante la tensione superficiale delle goccioline per tenerle dal fondere. E la tendenza di MEG-3 a rimanere intorno alla superficie dei granuli di P ha suggerito a lei che fungesse da genere di membrana, lei aggiunge.

Nei loro esperimenti, Seydoux ed il suo gruppo hanno indicato che le goccioline PGL-3 ricoperte di soggiorno MEG-3 hanno separato uniformemente sulle lastre di vetro, con due volte altrettante goccioline rispetto ai condensati non rivestiti che fondono, formando i meno e le più grandi goccioline sulla lastra di vetro.

“Questo è un fenomeno ben noto nella scienza dell'alimentazione ed ora vediamo che può anche accadere dentro una cella,„ diciamo Seydoux.

Seydoux ed il suo gruppo inoltre hanno costruito le celle dell'uovo del verme che mancavano di MEG-3 ed hanno veduto che i granuli non rivestiti di P si sono dissolti più lentamente. Ciò ed altri esperimenti, dicono Seydoux, suggeriscono che MEG-3 non solo stabilizzi le goccioline in condizioni normali ma egualmente che permetta che le goccioline rispondano più rapidamente quando le condizioni ambientali cambiano.

Il gruppo di Seydoux degli studenti postdottorali, compreso lo specialista Andrew Folkmann di rappresentazione delle cellule ed il biochimico Andrea Putnam, guida cercata per terminare i loro studi da un esperto in chimica fisica che potrebbe guidarle con la fisica delle emulsioni di Pickering.

Parecchi mesi dopo l'aggiunta del ventilatore Lee di Chiu del bioengineer dall'istituto universitario imperiale di Londra al gruppo, le ha aiutate per identificare una componente mancante nel loro modello del verme MEG-3: un enzima ha chiamato MBK-2 che aiuta il liquido dentro i granuli di P diventa meno viscoso.

“Insieme, questi esperimenti forniscono una spiegazione per come questa minestra primordiale dentro le celle può montare nei compartimenti che resistono a fondere e che rispondono alle indicazioni inerenti allo sviluppo,„ dice Seydoux.

Il gruppo pianificazione studi ulteriori per determinare la struttura fisica precisa di MEG-3 e dei dettagli supplementari circa come funziona. Se ulteriori studi hanno successo, MEG-3 potrebbe fornire una risorsa rinnovabile per sviluppare le emulsioni di Pickering nell'alimento e l'industria chimica, dicono.

Seydoux ed il gruppo file i brevetti sull'uso di MEG-3 come strumento per sviluppare le emulsioni di Pickering.

Source:
Journal reference:

Folkmann, A.W., et al. (2021) Regulation of biomolecular condensates by interfacial protein clusters. Science. doi.org/10.1126/science.abg7071.