Los ingenieros biomédicos de la Universidad de Duke han demostrado un método para controlar la separación de fases de una clase emergente de proteínas para crear orgánulos artificiales sin membranas dentro de las células humanas. El avance, similar al control de cómo el vinagre forma gotas dentro del aceite, crea oportunidades para la ingenieríaestructuras sintéticas para modular las funciones celulares existentes o crear comportamientos completamente nuevos dentro de las células.
Los resultados aparecen en línea el 3 de agosto en la revista Química de la naturaleza .
Las proteínas funcionan plegándose en formas tridimensionales específicas que interactúan con diferentes estructuras biomoleculares. Los investigadores creían anteriormente que las proteínas necesitaban estas formas fijas para funcionar. Pero en las últimas dos décadas, una gran clase nueva de proteínas intrínsecamente desordenadas IDP hase ha descubierto que tienen grandes regiones que son "flexibles", es decir, que no se pliegan en una forma tridimensional definida. Ahora se entiende que estas regiones juegan un papel importante, previamente no reconocido, en el control de varias funciones celulares.
Los desplazados internos también son útiles para aplicaciones biomédicas porque pueden experimentar transiciones de fase, por ejemplo, cambiando de un estado líquido a un gel, o de un estado soluble a insoluble, y viceversa, en respuesta a desencadenantes ambientales, como cambiosen temperatura. Estas características también dictan su comportamiento de fase en entornos celulares y se controlan ajustando características de los IDP, como su peso molecular o la secuencia en la que los aminoácidos están unidos entre sí.
"Aunque hay muchas PDI naturales que muestran un comportamiento de fase en las células, vienen en muchos sabores diferentes, y ha sido difícil discernir las reglas que gobiernan este comportamiento", dijo Ashutosh Chilkoti, profesor distinguido de Alan L. Kaganov deIngeniería Biomédica en Duke. "Este artículo proporciona principios de ingeniería muy simples para programar este comportamiento dentro de una célula".
"Otros en el campo han adoptado un enfoque de arriba hacia abajo en el que harán un cambio a un desplazado interno natural y verán cómo cambia su comportamiento dentro de una célula", dijo Michael Dzuricky, un científico investigador que trabaja en el laboratorio de Chilkoti y primeroautor del estudio. "Estamos adoptando el enfoque opuesto y construyendo nuestros propios desplazados internos artificiales a partir de principios termodinámicos simples. Esto nos permite a nosotros y a otros sintonizar con precisión una propiedad única, la forma del diagrama de fases de los desplazados internos, para comprender mejor cómoeste parámetro afecta el comportamiento biológico "
En el nuevo artículo, los investigadores comienzan buscando en la naturaleza ejemplos de desplazados internos que se unen para formar "condensados biomoleculares" dentro de las células. Estas estructuras débilmente unidas permiten que las células creen compartimentos sin también construir una membrana para encapsularlos.Utilizando uno de esos desplazados internos de la mosca común de la fruta como base, los investigadores se basan en su extensa historia de trabajo con desplazados internos para diseñar una versión artificial molecularmente más simple que conserva el mismo comportamiento.
Esta versión más simple permitió a los investigadores realizar cambios precisos en el peso molecular de los IDP y los aminoácidos de los IDP. Los investigadores muestran que, dependiendo de cómo se modifiquen estas dos variables, los IDP se unen para formar estos compartimentos en diferentestemperaturas en un tubo de ensayo. Y al probar constantemente varios ajustes y temperaturas, los investigadores obtuvieron una sólida comprensión de qué parámetros de diseño son más importantes para controlar el comportamiento de los desplazados internos.
Sin embargo, un tubo de ensayo no es lo mismo que una célula viva, por lo que los investigadores dieron un paso más para demostrar cómo se comportan sus desplazados internos diseñados dentro de E. coli. Como se predijo, sus desplazados internos artificiales se agruparon para formar una pequeña gotadentro del citoplasma de la célula. Y debido a que el comportamiento de los desplazados internos ahora se entendía tan bien, los investigadores demostraron que podían controlar de manera predecible cómo se fusionaban utilizando sus principios de probeta como guía.
"Pudimos cambiar las temperaturas en las células para desarrollar una descripción completa de su comportamiento de fase, que reflejaba nuestras predicciones de probeta", dijo Dzuricky. "En este punto, pudimos diseñar diferentes sistemas de IDP artificiales donde las gotas quese forman tienen diferentes propiedades del material. "
Dicho de otra manera, dado que los investigadores entendieron cómo manipular el tamaño y la composición de los desplazados internos para responder a la temperatura, pudieron programar los desplazados internos para formar gotitas o compartimentos de densidades variables dentro de las células. Para mostrar cómo esta capacidad podría ser útil paraingenieros biomédicos, los investigadores utilizaron su nuevo conocimiento, como suele hacer la naturaleza, para crear un orgánulo que realiza una función específica dentro de una célula.
Los investigadores demostraron que podían usar los IDP para encapsular una enzima para controlar su nivel de actividad. Al variar el peso molecular de los IDP, los IDP retienen la enzima ya sea aumentada o disminuida, lo que a su vez afecta la cantidad de interaccióncon el resto de la celda.
Para demostrar esta capacidad, los investigadores eligieron una enzima utilizada por E. coli para convertir la lactosa en azúcares utilizables. Sin embargo, en este caso, los investigadores rastrearon la actividad de esta enzima con un reportero fluorescente en tiempo real para determinar cómo el IDP diseñóorgánulo estaba afectando la actividad enzimática.
En el futuro, los investigadores creen que podrían usar sus nuevos orgánulos de desplazados internos para controlar los niveles de actividad de las biomoléculas importantes para los estados patológicos. O para aprender cómo los desplazados internos naturales cumplen funciones celulares similares y comprender cómo y por qué a veces funcionan mal.
"Esta es la primera vez que alguien ha podido definir con precisión cómo la secuencia de proteínas controla el comportamiento de separación de fases dentro de las células", dijo Dzuricky. "Usamos un sistema artificial, pero creemos que las mismas reglas se aplican a los desplazados internos naturales y sonemocionado de comenzar a probar esta teoría. "
"Ahora también podemos comenzar a programar este tipo de comportamiento de fase con cualquier proteína en una célula fusionándolos con estos desplazados internos artificiales", dijo Chilkoti. "Esperamos que estos desplazados internos artificiales proporcionen una nueva herramienta para que la biología sintética controle las célulascomportamiento."
Esta investigación fue apoyada por los Institutos Nacionales de Salud R35GM127042 y la Fundación Nacional de Ciencias DMR-17-29671, CHE-1709735.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Original escrito por Ken Kingery. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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