Le mécanisme d'auto-organisation moléculaire a été évalué dans un nouveau modèle par des chercheurs du Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization (MPIDS). Dans leur étude, ils ont simulé comment les facteurs environnementaux tels que la température influencent la taille des gouttelettes d'huile dans les matrices élastiques. L'étude aidera également à comprendre la formation de gouttelettes dans les cellules biologiques, où les molécules biologiques s'auto-organisent en condensats. L'article complet a récemment été publié dans la célèbre revue PNAS .

En biologie, une bonne régulation de l'intérieur de la cellule est cruciale pour assurer le fonctionnement des processus biologiques. Encore, les cellules peuvent être des structures très complexes avec plusieurs milliers de types différents de molécules et des millions de nombres de copies de protéines. Pour organiser cette vaste complexité, plusieurs mécanismes sont nécessaires pour créer des environnements subcellulaires fournissant à la fois des conditions définies et dynamiques. Par exemple, les organites cellulaires permettent la ségrégation des environnements cellulaires en raison de la démarcation via les membranes. Cependant, également dans la matrice cellulaire surpeuplée, une organisation structurée des biomolécules est requise. Là, des condensats dits biomoléculaires de composition moléculaire définie peuvent se former spontanément. Des exemples marquants de ce phénomène comprennent les granules de stress et les condensats transcriptionnels. Ces condensats sont entourés d'éléments structuraux élastiques dans la cellule, y compris le cytosquelette et la chromatine dans le noyau. La question est :comment les condensats sont-ils affectés par les structures élastiques et la cellule pourrait-elle utiliser cette interaction pour exercer un contrôle dans l'environnement cellulaire dynamique ?

Un modèle donne accès au domaine de l'organisation moléculaire

Comme il n'est pratiquement pas possible de suivre en temps réel l'interaction détaillée de millions de molécules dans une cellule, les chercheurs utilisent des modèles décrivant des facettes individuelles du phénomène. "Nous utilisons des gouttelettes d'huile pour représenter le matériau dans le cytosol et un maillage polymère pour imiter l'échafaudage biologique" explique Estefania Vidal-Henriquez, premier auteur de l'étude. "Le développement dynamique de la taille des gouttelettes dans certaines conditions nous donne des informations sur la façon dont les molécules biologiques seraient disposées dans un environnement cellulaire." Le modèle décrit la distribution des différentes tailles de gouttelettes et leur abondance relative. De plus, il considère que la matrice environnante pourrait être brisée, ce qui ferait référence à un réarrangement de l'échafaudage biologique. Cela signifie que les condensats biomoléculaires ne sont pas limités par la taille des mailles de leur environnement, mais sont capables de grandir au-delà.

La séparation de phases comme mécanisme clé

Un concept puissant pour expliquer la croissance de tels condensats est la séparation de phases. Brièvement, selon les conditions, deux substances seront soit mélangées, soit coexisteront séparées l'une de l'autre. De multiples facteurs peuvent influencer la séparation de phases en biologie, comme le pH, concentration, ou la température. Dans le modèle, les chercheurs ont utilisé une modulation de température pour étudier l'effet de la séparation des phases et de la formation de gouttelettes. Baisser lentement la température du système, une nucléation spontanée de gouttelettes d'huile a été observée, qui grossissaient avec le temps en absorbant la matière qui les entourait. De façon intéressante, à une vitesse de refroidissement plus rapide plus, mais des gouttelettes plus petites apparaissent. D'où, la vitesse à laquelle un facteur d'influence externe change joue un rôle crucial dans la formation de la structure.

"Avec notre modèle, nous décrivons comment la composition moléculaire peut être arrangée à l'échelle microscopique sur une matrice élastique" résume David Zwicker, auteur principal de l'étude et chef de groupe au MPIDS. Concernant l'effet de la modulation de température, il ajoute que "nous nous attendons à un comportement similaire pour les condensats biomoléculaires qui se forment souvent en réponse aux changements de température, pH, ou la concentration de protéines dans les cellules. » Le modèle fournit la base pour décrire la formation de motifs microscopiques dans un contexte technique et biologique.

La recherche a été publiée dans Actes de l'Académie nationale des sciences .