O mundo dentro da célula humana tornou-se um pouco mais interessante nos últimos anos, à medida que o papel de uma nova estrutura biológica se tornou mais claro.

Por muito tempo se acreditou que as operações mais importantes na célula ocorrem dentro das organelas. "Eles estão lá para fazer certas funções. Por exemplo, mitocôndrias geram a energia em que tudo funciona, "explicou Aleksei Aksimentiev, professor de física da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. “O que é comum a todos eles é que estão rodeados por uma membrana lipídica. O que as pessoas descobriram recentemente é que existem organelas que não têm bicamadas lipídicas. Elas se agrupam espontaneamente na forma de gotículas. E essas organelas têm funções específicas . "

Nos últimos anos, com recursos de imagem aprimorados, os papéis, ocorrência, e o comportamento dessas organelas sem membrana tornou-se mais claro. Em 2017, eles receberam um nome:condensados ​​biológicos. Acredita-se que eles desempenhem um papel no reparo e envelhecimento do DNA, e os pesquisadores acreditam que uma série de doenças neurológicas estão relacionadas ao condensado não funcionar corretamente, incluindo esclerose lateral amiotrófica, ou ALS, onde as células nervosas se quebram, levando à perda da função muscular.

"Digamos que você tenha DNA e de repente haja uma pausa. Geralmente é uma coisa muito ruim, porque não pode se replicar, mas tem um maquinário que vai vir e consertar, Ele explicou. “Uma bolha de condensado se forma que milagrosamente atrai apenas as moléculas necessárias para reparar o DNA. Existem todos os tipos de condensados ​​diferentes e todos eles recrutam as moléculas certas de alguma forma. "

Como essas organelas sem membrana se formam espontaneamente? E como eles recrutam outras moléculas para ajudá-los?

A física deste processo parece semelhante à separação de fases, como como óleo e água espontaneamente formam gotículas nas condições certas, mas com algumas diferenças. Na separação de fase normal, a temperatura geralmente motiva a separação. Em biologia, é uma mudança nas concentrações.

"Não sabemos exatamente como funciona, "Aksimentiev disse." Estou especificamente interessado em como esse recrutamento acontece, e como as moléculas reconhecem outras moléculas. "

Aksimentiev está usando o supercomputador Frontera no Texas Advanced Computing Center (TACC), um dos mais rápidos do mundo, para entender melhor esse processo. Na última década, ele e outros desenvolveram as ferramentas e métodos para explorar o comportamento de sistemas biológicos no nível atômico usando simulações de dinâmica molecular.

Aksimentiev é capaz de simular sistemas biológicos com milhões de átomos interagindo em um ambiente realista por microssegundos ou até milissegundos - as escalas de tempo em que os sistemas biológicos operam. Os supercomputadores de hoje permitem maiores, simulações mais rápidas, e permitir que os cientistas façam e respondam a novas perguntas.

Mesmo para os padrões da área, condensados ​​biológicos são um desafio para estudar computacionalmente. Ao contrário de outros sistemas ordenados, como proteínas com estruturas rígidas conhecidas, ou sistemas desordenados como água, condensados ​​biológicos são conhecidos como "parcialmente desordenados" - um tipo de estrutura particularmente difícil de simular.

Escrevendo no Journal of Physical Chemistry Letters em maio de 2020, Aksimentiev e o estudante de graduação Han-Yi Chou descreveram simulações de dinâmica molecular de granulação grossa em Frontera que mapearam o diagrama de fase (uma representação gráfica dos estados físicos de uma substância sob diferentes condições de temperatura e pressão) de um condensado biomolecular específico - fundido em sarcoma (FUS). Uma proteína de ligação de DNA / RNA nuclear, FUS regula diferentes etapas da expressão gênica, incluindo transcrição, splicing e transporte de mRNA. A pesquisa foi apoiada por doações da National Science Foundation e do National Institutes of Health.

Os pesquisadores mostraram que um modelo de dinâmica molecular baseado em partículas pode reproduzir propriedades de separação de fase conhecidas de um condensado FUS, incluindo sua concentração crítica e suscetibilidade a mutações.

Eles também mostraram que poderiam usar a teoria do colapso em cadeia para determinar as propriedades termodinâmicas do condensado e vinculá-las a mudanças na forma de moléculas de condensado individuais.

O comportamento de um condensado biológico, com todas as suas complexas interações inter e intramoleculares, pode ser descrito por um modelo de física de polímero, eles encontraram. Isso torna a modelagem por computador uma ferramenta útil para descobrir o comportamento desses atores celulares ainda misteriosos.

A pesquisa de Aksimentiev prepara o terreno para estudos futuros que irão elucidar os mecanismos moleculares que conduzem a formação de gotículas em condensados ​​biológicos mais complexos, como aqueles que reparam o RNA. O trabalho é um passo em um longo caminho para elucidar totalmente o mistério dos condensados ​​biológicos nas células - outro truque da natureza lentamente descoberto.