Une illustration d'une partie d'un organite synthétique sans membrane. Ici, nous voyons deux couches qui se séparent comme l'huile et l'eau, mais les deux couches sont de l'eau. Il n'y a pas d'huile. Chaque couche contient un soluté différent qui lui confère sa propre thermodynamique chimique, le garder séparé de l'autre. Les réactions chimiques se succèdent d'une couche à l'autre dans une réaction en chaîne. Les molécules illustrées à l'extérieur sont des sucres appelés dextran, un soluté. La couche intermédiaire grise contient une enzyme, représenté comme de petites sphères jaunes qui effectueraient une étape dans la cascade de réaction. Crédit :Georgia Tech
Quelques sucres, une pincée d'enzymes, une pincée de sel, un trait de polyéthylène glycol, soigneusement disposés dans des bains d'eau. Et les chercheurs avaient fabriqué un organite synthétique, qu'ils ont utilisé dans une nouvelle étude pour explorer une étrange biochimie cellulaire.
Les chercheurs du Georgia Institute of Technology ont créé le mélange chimique en laboratoire pour imiter étroitement les organites sans membrane, mini-organes dans les cellules qui ne sont pas contenus dans une membrane mais existent sous forme de pools de solutions aqueuses. Et leur modèle a démontré comment, avec seulement quelques ingrédients, les organites pourraient effectuer des processus biologiques affinés.
Les chercheurs ont publié les résultats de leur étude dans la revue Matériaux et interfaces appliqués ACS pour le 26 septembre numéro de 2018. La recherche a été financée par l'Institut national des sciences médicales générales des National Institutes of Health et par la National Science Foundation.
Un examen rapide des organites sans membrane devrait aider à comprendre l'importance de la recherche.
Que sont les organites sans membrane?
La découverte d'organites qui sont des pools de solutions aqueuses et non des objets à membranes est assez récente. Le nucléole en est un bon exemple. Il réside à l'intérieur du noyau de la cellule, qui est un organite qui a une membrane.
Autrefois, les chercheurs pensaient que le nucléole avait disparu lors de la division cellulaire et réapparu plus tard. En attendant, les chercheurs se sont rendu compte que le nucléole n'a pas de membrane et qu'au cours de la division cellulaire, il se diffuse comme le font les bulles d'eau dans une vinaigrette qui a été secouée.
Dans un vil, trois phases de solutions aqueuses séparées en trois couches. Dans les organites sans membrane, des réactions chimiques se produisent aux interfaces de telles couches, traiter un réactif étape par étape et déplacer le produit de réaction d'une couche à la suivante. Crédit :Georgia Tech / Rob Felt
"Après la division cellulaire, le nucléole se reforme en un seul compartiment de fluide, " dit Shuichi Takayama, chercheur principal de l'étude et professeur au département de génie biomédical Wallace E. Coulter de Georgia Tech et de l'Université Emory.
Les organites sans membrane peuvent être constitués de quelques solutions aqueuses différentes, chacun avec des solutés différents comme des protéines ou du sucre ou de l'ARN ou du sel. Différences dans la thermodynamique des solutions, C'est, comment leurs molécules rebondissent, les empêcher de fusionner en une seule solution.
Au lieu, ils séparent les phases comme le font l'huile et l'eau, même après mélange. Mais il n'y a pas d'huile dans ce cas.
"Ce sont toutes des eaux, " a déclaré Takayama. "Ils ne se mélangent tout simplement pas parce qu'ils ont des solutés différents."
Quels processus réalistes l'expérience synthétique a-t-elle démontré ?
Lors de l'entremêlement, il se passe des choses importantes. Le nucléole, par exemple, est vitale pour la transcription de l'ADN. Mais la configuration synthétique, une collection de solutions aqueuses réalisée par le premier auteur de l'étude, Taisuke Kojima, ont réalisé une série de réactions plus simples qui ont démontré comment les organites sans membrane pouvaient piloter la transformation du sucre.
A l'intérieur du noyau, vu ici comme une sphère violette, est une sphère violette plus petite, le nucléole, qui est l'organite sans membrane le plus important dans nos cellules. Crédit :CNX OpenStax / Téléchargement gratuit sur cnx.org/contents/[email protected] / licence creative commons
"Nous avons eu trois phases de solutions qui contenaient chacune des réactifs différents, " a déclaré Kojima. " C'était comme une balle avec trois couches :une solution extérieure, une solution intermédiaire, et une solution de base. Le glucose était dans la couche externe; une enzyme, glucose oxydase, était dans la deuxième couche, et la peroxydase de raifort était dans le noyau avec un substrat colorimétrique qui nous a donné un signal visible lorsque la dernière réaction que nous recherchions s'est produite."
Le glucose dans la couche externe interfacé avec la glucose oxydase dans la deuxième couche, qui catalyse le glucose en peroxyde d'hydrogène. Il a atterri dans la deuxième couche et s'est interfacé avec la peroxydase de raifort dans la couche centrale, qui l'a catalysé dans la couche centrale avec ce composé qui transforme les couleurs.
"Ce type de réaction en cascade est ce à quoi on s'attendrait de voir des organites sans membrane effectuer, " a déclaré Takayama.
La cascade a même transporté chaque produit de réaction d'un compartiment à l'autre, quelque chose de très typique dans les processus biologiques, comme des organes digérant les aliments ou un organite traitant des molécules.
Que peut nous apprendre une découverte surprise ?
Une partie de la réaction a pris les chercheurs par surprise, et cela a abouti à une nouvelle découverte.
Le nucléole, au centre du noyau de la cellule, est l'organite le plus important sans membrane. On pensait autrefois qu'il disparaissait lors de la division cellulaire puis réapparaissait. Comme il existe en solution, en réalité, il est secoué en morceaux qui se réunissent à nouveau en un seul morceau. Crédit :CNX OpenStax / Téléchargez gratuitement sur cnx.org/contents/[email protected] / licence commune
« Quand les chercheurs pensent aux organites sans membrane, nous pensons souvent que les réactions à l'intérieur d'eux sont plus efficaces lorsque leurs enzymes et substrats sont dans le même compartiment, " dit Takayama. " Mais dans nos expériences, cela a en fait ralenti la réaction. Nous l'avons dit, 'Waouh, que se passe t-il ici?'"
"Lorsque le substrat est au même endroit où le produit de la réaction s'accumule également, l'enzyme se confond parfois, et qui peut gêner la réaction, " dit Kojima, qui est chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Takayama. "J'ai été assez surpris de le voir."
Kojima a mis les enzymes et le substrat dans des solutions séparées, qui s'est interfacé mais n'a pas fusionné en une solution unique, et la réaction dans son organite synthétique a fonctionné efficacement. Cela a montré à quel point des subtilités inattendues peuvent affiner la chimie des organites.
"C'était un régime Boucle d'or, pas trop de contact entre substrat et enzyme, pas trop peu, juste à droite, " a déclaré Takayama.
"Parfois, dans une cellule, un substrat n'est pas abondant et peut nécessiter d'être concentré dans son propre petit compartiment puis mis en contact avec l'enzyme, " dit Takayama. " Par contraste, certains substrats peuvent être très abondants dans le noyau, et il pourrait être important de les séparer des enzymes pour obtenir juste assez de contact pour le bon type de réaction. »
