Kompleksnost celičnih procesov, v katere so udeležene številne biološke makromolekule, često onemogoča njihovo kvantitativno obravnavo, kakršno denimo poznamo iz enostavnejših fizikalno-kemijskih sistemov, ki vključujejo zgolj nekaj vrst molekul. Interdisciplinarni ekipi raziskovalcev z Univerze v Princetonu je uspelo natančno opisati nastanek znotrajceličnih skupkov, ki sodelujejo v številnih esencialnih celičnih procesih, z uporabo splošnega fizikalnega modela, ki sicer opisuje nastanek kondenzacijskih jeder. Ta tako imenovana klasična nukleacijska teorija lahko opiše tako nastanek oblakov na nebu kot tudi tvorbo mehurčkov v penini. 

V živi celici lahko z dovolj zmogljivim mikroskopom zaznamo poleg že vsem znanih struktur znotrajceličnih organelov, ki jih razmejuje lipidna membrana, tudi začasne skupke makromolekul brez membrane, podobne kapljicam, ki igrajo ključno vlogo v številnih procesih v celici. Takšni skupki so posledica fazne separacije tekoče-tekoče, v katero so pogosto udeleženi intrinzično neurejeni proteini in nukleinske kisline. Ker je pojav takšnih kapljic v citoplazmi zelo dinamičen in prehoden proces, je te skupke zelo težko preučevati, kaj šele napovedovati, kje in kdaj se bodo pojavili v živi celici. 

Z uporabo domiselnega optogenetskega modelnega sistema, ki ga raziskovalci in raziskovalke lahko nadzorujejo s svetlobo, je raziskovalna ekipa raziskala, kateri biomolekularni parametri vplivajo na nastanek takšnih makromolekularnih skupkov znotraj celic. Merili so čas od aktivacije celic ob obsevanju s svetlobo do nastanka vidnih skupkov znotraj celic in tako pridobili vpogled v nastajanje skupkov za več različnih sistemov, ki so vključevali številne različne proteine, pri katerih so že zaznali fenomen fazne separacije tekoče-tekoče.

Podatke so raziskovalci uspeli opisati v okviru tako imenovane klasične nukleacijske teorije, ki sicer opisuje, kako je hitrost nastanka neke kapljice odvisna od nasičenosti sistema. Teorija se tako osredotoča na prvi korak nastanka skupka, torej tvorbo nukleacijskega jedra. Čeravno je bil relativno enostaven, triparametrski model prej uporabljen na precej enostavnejših in bolj monotonih sistemih, se je ta izkazal kot uspešen tudi za napoved tvorbe makromolekularnih skupkov v celici. 

Parametre so raziskovalci vsaj delno uspeli povezati tudi z biomolekularnimi lastnostmi sistema, predvsem s specifičnostjo prepoznave med proteini. Pokazali so, da prav biomolekularne lastnosti sistema pomembno modulirajo zmožnost tvorbe začetnih nukleacijskih jeder, iz katerih nastanejo večji skupki. Specifičnost, ki jo določa predvsem sekvenčna sestava delov proteinov, ki sodelujejo pri fazni separaciji, omogoča natančno regulacijo takšnih skupkov znotraj žive celice.

Z vpeljavo modelnega opisa nastanka makromolekularnih skupkov v okviru klasične nukleacijske teorije so raziskovalci s Princetona naredili pomemben korak k boljšemu razumevanju in kvantitativnemu opisu nastanka makromolekularnih skupkov v celici. Poleg bazične vrednosti, ki jo prinaša predstavljena študija, bo kvantitativna obravnava tvorbe makromolekularnih skupkov denimo prispevala tudi k boljšemu naslavljanju nekaterih nevrodegenerativnih bolezni, pri katerih opazimo patološko tvorbo podobnih makromolekularnih skupkov.

Fazno se je ločil Uroš.

 

Predstavljena študija: Nucleation landscape of biomolecular condensates | Nature