Исследование клеточных функций через призму синтетической биологии
Учёные из Университета штата Аризона — Джованна Гирланда, Маттиас Хейден (Школа молекулярных наук) и Сара Вайана (Департамент физики) — изучают клетки с новой точки зрения, что позволяет получить уникальное представление о механизмах клеточной активности.
Помимо окружённых мембраной органелл (ядро, митохондрии, аппарат Гольджи), эукариотические клетки содержат множество компартментов без оболочки. Эти белковые жидкие глобулы, называемые безмембранными органеллами, выполняют различные клеточные функции, которые в цитоплазме были бы менее эффективны или невозможны. Исследования показывают, что такие органеллы могут играть роль в агрегации белков, связанных с заболеваниями, например, с болезнью Альцгеймера.
Гирланда, Хейден и Вайана изучают биофизические основы формирования этих органелл и используют полученные данные для создания искусственных аналогов. Их работа исследует инновационный метод компартментализации с потенциальным применением в синтетической биологии и катализе.
В последнее десятилетие стало известно, что формирование и функция многих таких крупных безмембранных структур регулируется хорошо известным явлением — жидкостно-жидкостным фазовым разделением (LLPS). Согласно новой модели, цитоплазма и нуклеоплазма представляют собой сложные жидкости, способные стабильно разделяться, подобно маслу и уксусу. Заимствуя знания из физической химии и физики мягких сред, биологи развивают новое понимание почти двух десятков типов безмембранных структур, описанных на сегодняшний день.
Эти структуры формируются посредством LLPS биополимеров, таких как белки и РНК, обычно в ответ на стимул.
Команда исследует, можно ли использовать LLPS для создания спроектированных безмембранных органелл, способных выполнять сложные каталитические функции. Возможные применения:
- Повышение эффективности ферментных каскадов in vitro для промышленного использования.
- Создание технически простой и привлекательной альтернативы белковым капсулам и липосомам в искусственных клетках.
«Если наш метод окажется успешным, он позволит простым способом получать безмембранные органеллы, просто присоединяя спроектированные метки к выбранным ферментам», — объясняет Гирланда.
Параллельная работа в лаборатории Гирланды сосредоточена на дизайне искусственных металлопротеинов. В долгосрочной перспективе цель — создание органелл, содержащих искусственные металлоферменты, способные катализировать производство водорода и восстановление диоксида углерода.
Работа в лаборатории Хейдена посвящена разработке методов компьютерного моделирования переполненных сред, подобных среде внутри безмембранных органелл. Текущее исследование команды стало отличным испытательным полигоном для этих методов.
Лаборатория Вайаны изучает фазовое разделение в контексте нейродегенеративных заболеваний. В этом направлении они разрабатывают биофизические методы для характеристики LLPS in vitro и in vivo, чтобы помочь охарактеризовать безмембранные органеллы и выявить ключевые взаимодействия, лежащие в основе фазовых переходов.
Понимание механизма и количественная оценка движущих сил, ведущих к агрегации амилоидных белков и болезни, могут привести к столь необходимому лечению болезни Альцгеймера.
Недавно трио учёных получило грант NSF EAGER для продолжения исследований. Эта программа Национального научного фонда США предназначена для потенциально трансформационных исследований, изучающих новые темы, методы или междисциплинарные подходы.
В итоге, восприятие внутренней клеточной среды как жидкости, содержащей множество жидких капель, функционирующих как безмембранные органеллы, знаменует поворотный момент в понимании клеточной биологии. Концепция молода, и вопросы о том, как и почему жидкостно-жидкостное фазовое разделение организует внутриклеточное пространство, остаются открытыми. Но уже ясно, что это явление лежит в основе формирования и функциональности растущего числа давно наблюдаемых безмембранных органелл. Цель данной исследовательской группы — использовать это явление для приложений в катализе и синтетической биологии.