Une image de microscopie à fluorescence à deux couleurs montre des gouttelettes liquides constituées d'une protéine riche en arginine et d'un ARN riche en purine. Les gouttelettes bleues et rouges sont fabriquées à partir des mêmes matériaux (protéines et ARN), mais étiqueté avec différents colorants pour faciliter la visualisation. Dans de nombreux endroits, les gouttelettes -- flottant librement dans une solution -- coexistent mais ne se mélangent pas. Crédit :Ibraheem Alshareedah / Laboratoire Priya Banerjee
De nouvelles recherches pourraient aider à expliquer un phénomène intrigant à l'intérieur des cellules humaines :comment les organites liquides sans paroi sont capables de coexister en tant qu'entités distinctes au lieu de simplement fusionner.
Ces structures, appelés organites sans membrane (MLO), sont des gouttelettes liquides constituées de protéines et d'ARN, avec chaque gouttelette contenant les deux matériaux. Les organites jouent un rôle crucial dans l'organisation du contenu interne des cellules, et peut servir de centre d'activité biochimique, recruter des molécules nécessaires à la réalisation de réactions cellulaires essentielles.
Mais comment les différentes gouttelettes restent séparées les unes des autres reste un mystère. Pourquoi ne se combinent-ils pas toujours pour former de plus grosses gouttelettes ?
"Ces organites n'ont pas de membrane, et donc, l'intuition commune vous dirait qu'ils sont libres de se mélanger, " dit Priya Banerjee, Doctorat., professeur adjoint de physique à l'Université du Buffalo College of Arts and Sciences.
Banerjee est le chercheur principal de la nouvelle étude, qui explore pourquoi cela ne se produit pas.
Les co-auteurs de la recherche comprennent le premier auteur et un doctorat en physique. l'étudiant Ibraheem Alshareedah; Ph.D. physique étudiant Taranpreet Kaur; premier cycle Jason Ngo; Physique et maths Hannah Seppala; Liz-Audrey Djomnang Kounatse, licence en génie biomédical; et les chercheurs postdoctoraux en physique Wei Wang et Mahdi Moosa. Tous sont de l'UB.
Les gouttelettes ne se mélangeront pas facilement si elles prennent un état de gel
Les résultats, publiés le 22 août dans le Journal de l'American Chemical Society — pointent du doigt la structure chimique des molécules de protéines et d'ARN dans les gouttelettes comme un facteur clé qui peut empêcher les MLO de se mélanger.
L'équipe a découvert que certains types d'ARN et de protéines sont "plus collants" que d'autres, leur permettant de former des gouttelettes gélatineuses qui ne fusionnent pas facilement avec d'autres gouttelettes dans le même état viscoélastique. Spécifiquement, les gouttelettes sont plus susceptibles de ressembler à un gel lorsqu'elles contiennent des molécules d'ARN riches en un élément constitutif appelé purine, et des protéines riches en un acide aminé appelé arginine.
Les doctorants en physique de l'Université de Buffalo Taranpreet Kaur (à gauche) et Ibraheem Alshareedah préparent une chambre à flux microfluidique pour des expériences. La microfluidique permet une manipulation rapide des gouttelettes de protéines sous des pièges optiques – une technique utilisée pour mener la nouvelle étude. Crédit :Douglas Levere / Université de Buffalo
Les expériences n'ont pas eu lieu dans des cellules. Au lieu, les résultats étaient basés sur des tests effectués sur des systèmes modèles constitués d'ARN et d'une protéine formant des gouttelettes appelée fusionnée dans le sarcome (FUS) flottant dans une solution tampon.
L'une des raisons pour lesquelles la FUS intéresse les chercheurs est son lien potentiel avec la maladie neurodégénérative de la sclérose latérale amyotrophique (SLA). Comme l'explique Banerjee, les molécules de protéines riches en arginine sont associées à une forme prévalente de la maladie, connue sous le nom de SLA à médiation c9orf72.
"Notre découverte met en évidence un rôle particulier des protéines riches en arginine dans la détermination de l'état matériel (liquide vs gel) des organites sans membrane, " Banerjee dit. "Cette étude peut être importante pour comprendre comment les protéines riches en arginine liées à la SLA peuvent modifier l'état viscoélastique des MLO riches en ARN."
En plus de fournir un aperçu des raisons pour lesquelles les MLO résistent au mélange (en raison de la viscoélasticité améliorée), l'étude a sondé le rôle de l'ARN dans la formation et la dissolution des organites liquides contenant du FUS. La recherche a révélé que pour le type de gouttelette à l'étude, l'ajout de faibles concentrations d'ARN à une solution contenant les protéines a provoqué la formation de gouttelettes. Mais comme plus d'ARN a été ajouté, les gouttelettes se sont alors dissoutes.
"Il y a généralement une très petite fenêtre où ces gouttelettes existent, mais la fenêtre est nettement plus large pour les protéines riches en arginine, " dit Banerjee.
La vie compliquée des organites liquides
Le nouvel article est le dernier d'une série d'études que le groupe de Banerjee a menées pour explorer les forces gouvernant la création, maintien et dissolution des MLO.
Bien que l'équipe utilise des systèmes modèles pour examiner les propriétés individuelles des gouttelettes, il est probable que de nombreuses forces travaillent ensemble dans une cellule pour déterminer le comportement et la fonction des organites, il dit. Il peut y avoir plusieurs autres mécanismes, par exemple, qui font que les MLO prennent un état gélatineux ou refusent de se mélanger.
« Les cellules sont extrêmement complexes, avec de nombreuses molécules différentes subissant différents processus qui se réunissent en même temps pour influencer ce qui se passe à l'intérieur des MLO, " Banerjee dit. "En utilisant des systèmes modèles, nous sommes en mesure de mieux comprendre comment une variable particulière peut avoir un impact sur la formation et la dissolution de ces organites. Et nous nous attendons à voir ces mêmes forces en jeu dans la nature, à l'intérieur des cellules."
