Новый метод создания «безмембранных компартментов» проливает свет на клеточные процессы
Новый лабораторный метод позволяет исследователям создавать в жидкости компартменты, которые, подобно каплям масла в воде, отделены друг от друга, но не имеют физического барьера между ними. Метод может помочь понять, как человеческие клетки используют похожие «безмембранные компартменты» для разделения и концентрации компонентов для важных клеточных процессов, химических реакций или других биологических функций.
Исследователи из Университета Пенсильвании разработали и применили метод для создания сложных многокомпонентных компартментов и компартментов внутри компартментов — все без физических перегородок или мембран. Их результаты опубликованы в журнале Biomacromolecules.
«Клетка имеет множество компартментов или контейнеров, таких как ядро и митохондрии, с мембранами, которые отделяют их содержимое от остальной части клетки, — сказал Грегори Маунтин, аспирант и автор исследования. — Эти компартменты помогают клетке выполнять разные задачи в разных местах. Но исследователи продолжают открывать в клетке компартменты, у которых нет физических внешних мембран и которые могут формироваться, а затем растворяться по мере необходимости. Нарушение работы этих безмембранных компартментов связано с такими заболеваниями, как БАС, болезнь Альцгеймера и диабет II типа».
Безмембранные компартменты внутри клеток образуются в результате разделения молекул, таких как белки и РНК, в разные жидкие фазы. Чтобы создать безмембранные компартменты в лаборатории, исследователи смешали в воде упрощённые заряженные полимеры из повторяющихся аминокислот и/или нуклеиновых кислот. Полимеры были помечены флуоресцентными метками, что позволило отслеживать возникающие взаимодействия.
По мере взаимодействия заряженных полимеров (противоположные заряды притягиваются) в жидкости формировались отдельные компартменты без физических перегородок. Комбинация четырёх полимеров позволила получить капли с двумя компартментами, а также компартменты внутри компартментов. Комбинация шести полимеров дала капли с тремя компартментами.
«Этот простой метод позволяет нам понять базовую химию того, как многофазные компартменты могут формироваться и растворяться внутри клетки, — сказал Маунтин. — Затем мы можем наращивать сложность. Такие факторы, как температура, концентрация соли, кислотность и сила заряда полимеров, могут влиять на поведение этих компартментов, поэтому важно сначала понять общие условия, при которых возможно их образование».
Чтобы понять, как молекулы могут накапливаться внутри компартментов, исследователи добавили макромолекулярные зонды. Они обнаружили, что зонды имеют тенденцию накапливаться в тех компартментах, которые содержат полимеры с наиболее сильными зарядовыми взаимодействиями с зондами.
«Безмембранные компартменты могут формироваться внутри клетки для выполнения конкретной задачи с использованием определённых компонентов, — сказал Маунтин. — Но неясно, как клетка контролирует, какие компоненты куда попадают, и почему одни молекулы оказываются в одном компартменте, а другие — в другом. Определяя свойства, которые влияют на распределение молекул-зондов внутри многофазных компартментов, мы можем начать понимать, как клетка может готовиться к химическим реакциям».
Далее исследователи изучают, как можно избирательно растворять и восстанавливать отдельные компартменты, используя различные механизмы контроля. Например, манипулирование одним из заряженных полимеров внутри компартмента для его нейтрализации может привести к избирательному растворению этого компартмента в многокомпонентной системе.
«В конечном итоге мы надеемся контролировать, когда появляются компартменты и какие типы молекул они содержат, — сказал Маунтин. — Мы также надеемся создать системы с несколькими видами безмембранных компартментов, которыми можно управлять индивидуально. Наша работа закладывает основу для экспериментальной модели многокомпонентных безмембранных органелл внутри живых клеток и, возможно, однажды позволит нам создавать искусственные клетки с многофазными компартментами».