Dentro de todas y cada una de las células vivas, hay estructuras minúsculas llamadas orgánulos sin membrana. Estas pequeñas potencias usan la química para indicar el funcionamiento interno de una célula: movimiento, división e incluso autodestrucción.
Una colaboración entre ingenieros de la Universidad de Princeton y la Universidad de Washington en St. Louis ha desarrollado una nueva forma de observar el funcionamiento interno y la estructura material de estos orgánulos de vital importancia. La investigación, publicada hoy en Química de la naturaleza , podría conducir a una gran cantidad de nuevas aplicaciones científicas, así como a una mejor comprensión de enfermedades como el cáncer, la enfermedad de Huntington y la ELA.
"Son como pequeñas gotas de agua: fluyen, tienen todas las propiedades de un líquido, similares a las gotas de lluvia", dijo Rohit Pappu, profesor de ingeniería Edwin H. Murty en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Washington.. "Sin embargo, estas gotas están compuestas de proteínas que se juntan con moléculas de ARN ribonucleico".
En el pasado, mirar dentro de los orgánulos ha resultado difícil debido a su pequeño tamaño. Clifford Brangwynne, profesor asociado de ingeniería química y biológica en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Princeton, y sus colaboradores, desarrollaron una nueva técnica, llamada ultrarrápidaespectroscopia de correlación de fluorescencia de barrido o usFCS: para obtener una evaluación de cerca de las concentraciones y sondear la porosidad de facsímiles de orgánulos sin membrana. El enfoque utiliza ondas de sonido para controlar la capacidad de un microscopio para moverse y luego obtener mediciones sin calibración deconcentraciones dentro de orgánulos sin membrana.
En su investigación, Brangwynne y su equipo, incluidos los investigadores postdoctorales Ming-Tzo Wei y Shana Elbaum-Garfinkle, utilizaron células extraídas de un gusano redondo. Con usFCS, pudieron medir las concentraciones de proteínas dentro de los orgánulos formados por la proteína específica, LAF-1. Esta proteína es responsable de producir p-gránulos, que son conjuntos de proteínas responsables de polarizar una célula antes de la división. Una vez que los investigadores de Princeton pudieron ver claramente los orgánulos y ver el LAF-1, lo que encontraron los sorprendió.
"Encontramos que en lugar de ser gotas densamente empaquetadas, estas son estructuras permeables de muy baja densidad", dijo Brangwynne. "No era el resultado esperado".
Fue entonces cuando Pappu de la Universidad de Washington y su asistente de investigación graduado Alex Holehouse intentaron dar sentido a los sorprendentes hallazgos del grupo de Princeton. El laboratorio de Pappu se especializa en física de polímeros y modelado de orgánulos sin membrana.
"Básicamente pudimos nadar dentro de los orgánulos para determinar cuánto espacio hay realmente disponible. Aunque esperábamos ver una piscina llena de gente, encontramos una con mucho espacio y agua. Estamos empezando a darnos cuenta de que estoslas gotas no van a ser todas iguales ", dijo Pappu.
En el caso de los orgánulos LAF-1, los investigadores encontraron que la formación de gotitas ultradiluidas se deriva de la información codificada en las regiones intrínsecamente desordenadas de estas secuencias de proteínas. Las características de esa secuencia aseguran que esta proteína sea una molécula muy flexible., más bien como los espaguetis cocidos, sin la capacidad de plegarse en una estructura específica y bien definida. Por el contrario, en otros orgánulos formados por proteínas diferentes, las propiedades del material son más parecidas a las de la pasta de dientes o la salsa de tomate. Brangwynne y Pappu continúan colaborandopara descubrir cómo diferentes secuencias de proteínas codifican la capacidad de formar gotas con propiedades materiales muy diferentes. Este trabajo tiene implicaciones directas para comprender las funciones biológicas de los orgánulos sin membrana y para comprender cómo los cambios en estas propiedades materiales dan lugar a enfermedades como la neurodegeneración o el cáncer.
"Hay una explosión de aplicaciones de ingeniería y transformaciones para la biología celular mecanicista que están en el horizonte. Estos avances serán accesibles a medida que aprendamos más sobre la base de estos orgánulos y cómo su secuencia de aminoácidos determina las propiedades y la función de los materiales".Pappu dijo: "Estos orgánulos están haciendo cosas notables dentro de las células, y una pregunta realmente ingeniosa es: ¿Cómo podemos imitarlos?"
Pappu dice que algún día los investigadores podrían piratear los principios de diseño de los orgánulos para diseñar todo, desde laboratorios de química intracelular hasta pequeños vehículos de administración de fármacos y agentes de imágenes. Aparte de las aplicaciones prácticas, también existen implicaciones potenciales para comprender y diagnosticar una gran cantidad deenfermedades.
"Es esencial poder entender cómo se pueden regular las funciones de estas gotitas", dijo Pappu. "Si lo logramos, el impacto podría ser transformador: no es solo cáncer, es neurodegeneración, trastornos del desarrollo e inclusolos fundamentos de la biología celular. "
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Materiales proporcionado por Universidad de Washington en St. Louis . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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