Пара сахаров, щепотка ферментов, щепотка соли, капля полиэтиленгликоля, аккуратно разложенные в водяных банях. И исследователи создали синтетическую органеллу, которую они использовали в новом исследовании для изучения какой-то странной клеточной биохимии.
Исследователи из Технологического института Джорджии создали химическую смесь в лаборатории, чтобы точно имитировать безмембранные органеллы, мини-органы в клетках, которые не заключены в мембрану, но существуют в виде бассейнов водных растворов. И их модель продемонстрировала, как с помощью всего нескольких ингредиентов органеллы могут выполнять точно настроенные биологические процессы.
Исследователи опубликовали результаты своего исследования в журнале ACS Applied Materials & Interfaces от 26 сентября 2018 года. Исследование финансировалось Национальным институтом общих медицинских наук при Национальном институте здравоохранения и Национальным научным фондом.
Быстрый взгляд на безмембранные органеллы должен помочь понять значение исследования.
Что такое безмембранные органеллы?
Открытие органелл, представляющих собой бассейны водных растворов, а не объектов с мембранами, произошло сравнительно недавно. Ярким примером является ядрышко. Он находится внутри ядра клетки, органеллы, не имеющей мембраны.
В прошлом исследователи думали, что ядрышко исчезает во время клеточного деления и вновь появляется позже. Тем временем исследователи поняли, что ядрышко не имеет мембраны и что во время клеточного деления оно диффундирует подобно пузырькам воды во взбалтываемой заправке для винегрета.
«После деления клетки ядрышко снова становится единым отсеком жидкости», - сказал Шуичи Такаяма, главный исследователь исследования и профессор кафедры биомедицинской инженерии Уоллеса Э. Коултера в Технологическом институте Джорджии и Университете Эмори..
Безмембранные органеллы могут состоять из нескольких различных водных растворов, каждый из которых содержит разные растворенные вещества, такие как белки, сахар, РНК или соль. Различия в термодинамике растворов, то есть в том, как их молекулы подпрыгивают, не позволяют им слиться в единый раствор.
Вместо этого они разделяются по фазам, как масло и вода, даже после смешивания. Но масла в этом случае нет.
"Это все вода", - сказала Такаяма. «Они просто не смешиваются друг с другом, потому что имеют разные растворенные вещества».
Какие реалистичные процессы продемонстрировал синтетический эксперимент?
Во время смешения происходят важные вещи. Ядрышко, например, жизненно важно для транскрипции ДНК. Но синтетическая установка, набор водных растворов, сделанных первым автором исследования, Тайсуке Кодзимой, провела более простую серию реакций, которые продемонстрировали, как безмембранные органеллы могут управлять переработкой сахара.
«У нас было три фазы растворов, каждая из которых содержала разные реагенты», - сказал Кодзима. «Это было похоже на шар с тремя слоями: внешний раствор, промежуточный раствор и ядро. с колориметрическим субстратом, который дал нам видимый сигнал, когда произошла последняя реакция, которую мы искали».
Глюкоза во внешнем слое взаимодействует с глюкозооксидазой во втором слое, которая катализирует глюкозу до перекиси водорода. Он попал во второй слой и взаимодействовал с пероксидазой хрена в сердцевинном слое, которая катализировала его в сердцевинном слое вместе с тем соединением, которое меняет цвет.
«Этот тип каскадной реакции - это то, что можно было бы ожидать от безмембранных органелл», - сказал Такаяма.
Каскад даже транспортировал каждый продукт реакции из одного отсека в другой, что очень типично для биологических процессов, таких как органы, переваривающие пищу, или органеллы, перерабатывающие молекулы.
Чему нас может научить неожиданное открытие?
Отчасти реакция застала исследователей врасплох и привела к новому открытию.
«Когда исследователи думают о безмембранных органеллах, мы часто думаем, что реакции внутри них более эффективны, когда их ферменты и субстраты находятся в одном отсеке», - сказал Такаяма. «Но в наших экспериментах это фактически замедлило реакцию. Мы сказали: «Вау, что здесь происходит?»
«Когда субстрат находится в том же месте, где также накапливается продукт реакции, фермент иногда путается, и это может препятствовать реакции», - сказал Кодзима, научный сотрудник лаборатории Такаямы.«Я был очень удивлен, увидев это».
Кодзима помещал ферменты и субстрат в отдельные растворы, которые взаимодействовали, но не сливались в единый раствор, и реакция в его синтетической органелле работала эффективно. Это показало, как неожиданные тонкости могут быть тонкой настройкой химии органелл.
"Это был режим Златовласки, не слишком большой контакт между субстратом и ферментом, не слишком маленький, в самый раз", - сказала Такаяма.
«Иногда в клетке субстрата не так много, и его необходимо сконцентрировать в отдельном маленьком отсеке, а затем привести в контакт с ферментом», - сказал Такаяма. «Наоборот, некоторые субстраты могут быть в изобилии в ядре, и может быть важно отделить их от ферментов, чтобы получить достаточно контакта для правильной реакции».
Исследование финансировалось Национальным институтом общих медицинских наук Национального института здравоохранения (грант R01 GM12351) и Национальным научным фондом (грант CBET 0939511). Выводы, мнения и выводы принадлежат авторам, а не обязательно НИЗ.