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La teoría de la formación de la burbuja y de la gotita inspira un marco para dirigir las células vivas

La matemáticas embriagadora que describe cómo las burbujas forman en un cristal de Champán ha inspirado un marco para dirigir las células vivas.

Un estudio publicó el 22 de septiembre en detalles de la naturaleza cómo una formación de regulación automático establecida de la burbuja y de la gotita de la teoría de la física llevó a una nueva comprensión de los principios que ordenaban los contenidos de células vivas. Las marcas de trabajo un movimiento sísmico en la capacidad de los investigadores de entender y de controlar los materiales suaves complejos dentro de nuestras células.

Esta aproximación es común en la ciencia material, pero la hemos adaptado para hacer algo sin precedente en células,”

Clifford Brangwynne, investigador principal, y profesor de junio K. Wu '92 en la ingeniería y director Princeton Bioengineering Initiative, Universidad de Princeton

El trabajo actual sigue el descubrimiento de Brangwynne más que hace una década ése las proteínas celulares ordena en las estructuras líquidas dentro de la célula. Ese discernimiento dio lugar a un nuevo campo del estudio que examinaba cómo las partes de células forman como las caídas del aceite que se unen en agua. Los científicos han desconcertado desde que sobre los detalles exactos de cómo esas estructuras montan. Pero está una cosa dura para medir la dinámica blanda de moléculas individuales dentro de una célula, donde misterioso, los procesos que recubren roil caótico como el minuto estructura la forma y disuelven mil veces por segundo.

El investigador postdoctoral Shunsuke Shimobayashi había estudiado la física suave de la materia en la universidad de Kyoto y se había preguntado si su fondo que trabajaba en las composiciones orgánicas llamadas los lípidos pudo iluminar cualquier cosa interesante sobre el problema. Si las moléculas de proteína condensan fuera de sus alrededores el aceite de la manera se separa del agua, quizá la matemáticas que describió los primeros pasos en ese proceso, llamada nucleación, probaría útil en proteínas también.

Shimobayashi giró a la teoría clásica de la nucleación, un pilar de la ciencia material. Sus ecuaciones habían movido por motor algunas de las transformaciones tecnológicas más profundas del siglo XX, de los modelos del clima que primero revelaron el calentamiento del planeta a los fertilizantes que los mil millones ayudados de la ascensional de gente fuera del hambre.

Él era también afilado consciente de una distinción crítica: esas ecuaciones describen sistemas simples, inanimados, pero el interior de una célula está en la agitación. “Es un ambiente material mucho más complejo para las biomoléculas,” Shimobayashi dijo. Pero él avanzó, colaborando con los teóricos Pierre Ronceray y Mikko Haataja, profesor de la ingeniería mecánica y aeroespacial. Los investigadores estropearon la teoría hacia abajo a sus dos parámetros más importantes, adaptándola para intentar entender cómo el proceso pudo trabajar en células. Entonces para probar la teoría, Shimobayashi giró a una herramienta avanzada de la proteína desarrollada en el laboratorio de Brangwynne en 2018 que ofreció un ideal, el sistema simplificado que imita cómo el proceso ocurre naturalmente en células. Poniéndolas juntas, los resultados vinieron como algo de una descarga eléctrica.

Cuando Shimobayashi intentó inducir a las gotitas que siembren instantáneamente, el sistema falló. Pero cuando él sembró las gotitas más despacio, nucleated en las situaciones exacto definidas, de una manera que se alineó perfectamente con la suya adaptaron teoría. Él había predicho cómo, donde y cuando las gotitas de la proteína formaron con lo que llamó Brangwynne “exactitud notable.”

Las personas después giraron de nuevo a la complejidad sucia de las estructuras de célula nativas. Cuando explicaron todos los procesos que actúan en concentraciones de la proteína, encontraron que la teoría trabajó del mismo modo que. Habían cuantificado el montaje de la molécula-por-molécula de proteínas en las estructuras líquidas complejas que regulan las rutinas más básicas de la vida. No sólo hacen estas estructuras parecen y actúan aceite/agua, Shimobayashi dijo, ellas también formaron gotitas en las mismas configuraciones básicas de la nucleación, agrupándose alrededor de variaciones minuciosas en su ambiente a los regímenes que se pueden predecir con la misma precisión cuantitativa que otras clases de materiales.

Con esa potencia profética viene una capacidad el dirigir acelerada, según Brangwynne. Él cree que cuantificando modelos proféticos biomoleculares de los procesos y el convertirse en el molde de la física llevará a un mundo en el cual miremos no más pasivo mientras que nuestros amados sucumben a las enfermedades como Alzheimer.

“Primero tenemos que entender cómo trabaja, con los armazones matemáticos cuantitativos que son el lecho de roca de la ingeniería de la sociedad se maravillan. Y entonces podemos tomar las medidas siguientes, manipular sistemas biológicos con mayor mando,” Brangwynne dijo. “Necesitamos poder girar las perillas.”

Además de Brangwynne y de Shimobayashi, los autores del estudio incluyen a Pierre Ronceray, antes investigador postdoctoral en Princeton; David W. Sanders, investigador postdoctoral en el laboratorio de Brangwynne; y Mikko Haataja, profesor de la ingeniería mecánica y aeroespacial. El trabajo fue soportado en parte por el Howard Hughes Medical Institute, los institutos de la salud nacionales y el centro de Princeton para los materiales complejos.

Source:
Journal reference:

Shimobayashi, S. F., et al. (2021) Nucleation landscape of biomolecular condensates. Nature. doi.org/10.1038/s41586-021-03905-5.