Des ingénieurs de l'Université de Washington à St. Louis et de l'Université de Princeton ont développé une nouvelle façon d'explorer les composants les plus petits et les plus importants de la cellule. Ce qu'ils ont trouvé à l'intérieur des organites sans membrane les a surpris, et pourrait conduire à une meilleure compréhension des maladies mortelles, y compris le cancer, Huntington et SLA. Crédit :Washington University à St. Louis
A l'intérieur de chaque cellule vivante, il existe de minuscules structures appelées organites sans membrane. Ces petites centrales électriques utilisent la chimie pour repérer le fonctionnement interne d'une cellule - le mouvement, division et même l'autodestruction.
Une collaboration entre des ingénieurs de l'Université de Princeton et de l'Université de Washington à St. Louis a développé une nouvelle façon d'observer le fonctionnement interne et la structure matérielle de ces organites d'une importance vitale. La recherche, publié aujourd'hui dans Chimie de la nature , pourrait conduire à une foule de nouvelles applications scientifiques, ainsi qu'une meilleure compréhension de maladies telles que le cancer, Huntington et SLA.
"Ce sont comme de petites gouttes d'eau :elles coulent, ils ont toutes les propriétés d'un liquide, semblable aux gouttes de pluie, " dit Rohit Pappu, le professeur Edwin H. Murty d'ingénierie à l'École d'ingénierie et de sciences appliquées de l'Université de Washington. "Toutefois, ces gouttelettes sont composées de protéines qui s'associent à des molécules d'ARN (ribonucléiques).
Autrefois, scruter les organites s'est avéré difficile, en raison de leur petite taille. Clifford Brangwynne, professeur agrégé en génie chimique et biologique à la Princeton's School of Engineering and Applied Science, et ses collaborateurs, a développé une nouvelle technique, appelée spectroscopie de corrélation de fluorescence à balayage ultrarapide ou usFCS, pour obtenir une évaluation précise des concentrations à l'intérieur et sonder la porosité des fac-similés d'organites sans membrane. L'approche utilise des ondes sonores pour contrôler la capacité d'un microscope à se déplacer, puis obtenir des mesures sans étalonnage des concentrations à l'intérieur des organites sans membrane.
Dans leurs recherches, Brangwynne et son équipe, dont les chercheurs postdoctoraux Ming-Tzo Wei et Shana Elbaum-Garfinkle, utilisé des cellules prélevées sur un ver rond. Avec nousFCS, ils ont pu mesurer les concentrations de protéines à l'intérieur des organites formés par la protéine spécifique, LAF-1. Cette protéine est responsable de la production de p-granules, qui sont des assemblages de protéines responsables de la polarisation d'une cellule avant la division. Une fois que les chercheurs de Princeton ont pu jeter un coup d'œil clair dans les organites et voir le LAF-1, ce qu'ils ont trouvé les a surpris.
« Nous avons constaté qu'au lieu d'être des gouttelettes densément emballées, ceux-ci sont de très faible densité, structures perméables, " a déclaré Brangwynne. " Ce n'était pas le résultat escompté. "
Pour la première fois, des ingénieurs de l'Université de Washington à St. Louis et de l'Université de Princeton ont pu avoir un bon aperçu de l'intérieur des organites sans membrane, minuscules composants à l'intérieur d'une cellule. Cette illustration montre les différentes viscosités qu'on y trouve; une découverte qui pourrait mettre au premier plan de nouvelles percées en laboratoire et une meilleure compréhension des maladies. Crédit :(Courtoisie :Université de Washington à St. Louis)
C'est alors que Pappu de l'Université de Washington et son assistant de recherche diplômé Alex Holehouse ont tenté de donner un sens aux découvertes surprenantes du groupe de Princeton. Le laboratoire de Pappu est spécialisé dans la physique des polymères et la modélisation des organites sans membrane.
"Nous avons pu nager à l'intérieur des organites pour déterminer l'espace réellement disponible. Alors que nous nous attendions à voir une piscine bondée, nous en avons trouvé un avec beaucoup d'espace, et de l'eau. Nous commençons à réaliser que ces gouttelettes ne seront pas toutes les mêmes, " dit Papou.
Dans le cas des organites LAF-1, les chercheurs ont découvert que la formation de gouttelettes ultra-diluées dérive d'informations codées dans les régions intrinsèquement désordonnées de ces séquences protéiques. Les caractéristiques de cette séquence garantissent que cette protéine est une molécule très souple, plutôt comme des spaghettis cuits, n'ayant pas la capacité de se replier dans un spécifique, structure bien définie. En revanche, dans d'autres organites formés par différentes protéines, les propriétés du matériau ressemblent davantage à celles du dentifrice ou du ketchup. Brangwynne et Pappu continuent de collaborer pour comprendre comment différentes séquences de protéines codent la capacité de former des gouttelettes avec des propriétés matérielles très différentes. Ce travail a des implications directes pour comprendre les fonctions biologiques des organites sans membrane et pour comprendre comment les modifications de ces propriétés matérielles donnent lieu à des maladies telles que la neurodégénérescence ou les cancers.
« Il y a une explosion d'applications d'ingénierie et de transformations pour la biologie cellulaire mécaniste qui se profile à l'horizon. Ces avancées seront accessibles à mesure que nous en apprendrons davantage sur la fondation de ces organites et sur la façon dont leur séquence d'acides aminés détermine les propriétés et la fonction des matériaux, " a déclaré Pappu. " Ces organites font des choses remarquables à l'intérieur des cellules, et une question vraiment intéressante est :comment pouvons-nous les imiter ?"
Pappu dit un jour, les chercheurs pourraient pirater les principes de conception des organites pour tout façonner, des laboratoires de chimie intracellulaire aux minuscules véhicules d'administration de médicaments et agents d'imagerie. Outre les applications pratiques, il existe également des implications potentielles pour la compréhension et le diagnostic de toute une série de maladies.
« Il est essentiel de pouvoir comprendre comment on peut réguler les fonctions de ces gouttelettes, " dit Pappu. " Si nous réussissons, l'impact pourrait être transformateur :ce n'est pas seulement le cancer, c'est la neurodégénérescence, sur les troubles du développement, et même les fondamentaux de la biologie cellulaire.
