Como qualquer cozinheiro sabe, alguns líquidos se misturam bem uns com os outros, mas outros não. Por exemplo, quando uma colher de sopa de vinagre é derramada na água, uma breve agitação é suficiente para combinar completamente os dois líquidos. Contudo, uma colher de sopa de óleo derramada na água se aglutina em gotículas que nenhuma agitação pode dissolver. A física que governa a mistura de líquidos não se limita a tigelas de mistura; também afeta o comportamento das coisas dentro das células. É sabido há vários anos que algumas proteínas se comportam como líquidos, e que algumas proteínas do tipo líquido não se misturam. Contudo, muito pouco se sabe sobre como essas proteínas do tipo líquido se comportam nas superfícies celulares.

"A separação entre dois líquidos que não se misturam, como óleo e água, é conhecido como 'separação de fase líquido-líquido', e é fundamental para a função de muitas proteínas, "disse Sagar Setru, a 2021 Ph.D. graduado que trabalhou com Sabine Petry, um professor de biologia molecular, e Joshua Shaevitz, professor de física e do Instituto Lewis-Sigler de Genômica Integrativa.

Essas proteínas não se dissolvem dentro da célula. Em vez de, eles se condensam com eles próprios ou com um número limitado de outras proteínas, permitindo que as células compartimentalizem certas atividades bioquímicas sem ter que envolvê-las dentro de espaços delimitados por membrana.

"Em biologia molecular, o estudo de proteínas que formam fases condensadas com propriedades semelhantes a líquido é um campo de crescimento rápido, "disse Bernardo Gouveia, um estudante de graduação em engenharia química e biológica, trabalhando com Howard Stone, o Donald R. Dixon '69 e Elizabeth W. Dixon Professor de Engenharia Mecânica e Aeroespacial, e presidente do departamento. Setru e Gouveia colaboraram como co-autores em um esforço para entender melhor uma dessas proteínas.

“Estávamos curiosos sobre o comportamento da proteína semelhante a líquido TPX2. O que torna essa proteína especial é que ela não forma gotículas de líquido no citoplasma como havia sido observado antes, mas, em vez disso, parece sofrer separação de fases em polímeros biológicos chamados microtúbulos, "disse Setru." TPX2 é necessário para fazer redes ramificadas de microtúbulos, o que é crucial para a divisão celular. TPX2 também é superexpresso em alguns tipos de câncer, portanto, compreender seu comportamento pode ter relevância médica. "

Microtúbulos individuais são filamentos lineares em forma de bastonete. Durante a divisão celular, novos microtúbulos se formam nas laterais dos existentes para criar uma rede ramificada. Os locais onde novos microtúbulos crescerão são marcados por glóbulos de TPX2 condensado. Esses glóbulos TPX2 recrutam outras proteínas que são necessárias para gerar o crescimento dos microtúbulos.

Os pesquisadores estavam curiosos para saber como os glóbulos TPX2 se formam em um microtúbulo. Descobrir, eles decidiram tentar observar o processo em ação. Primeiro, eles modificaram os microtúbulos e o TPX2 para que cada um brilhasse com uma cor fluorescente diferente. Próximo, eles colocaram os microtúbulos em uma lâmina de microscópio, adicionado TPX2, e então assisti para ver o que aconteceria. Eles também fizeram observações em alta resolução espacial usando uma abordagem de imagem poderosa chamada microscopia de força atômica.

"Descobrimos que o TPX2 primeiro reveste todo o microtúbulo e, em seguida, se divide em gotículas que estão uniformemente espaçadas, semelhante a como o orvalho matinal cobre uma teia de aranha e se quebra em gotas, "disse Gouveia.

Setru, Gouveia e colegas descobriram que isso ocorre por causa de algo que os físicos chamam de instabilidade do Platô de Rayleigh. Embora os não físicos possam não reconhecer o nome, eles já estarão familiarizados com o fenômeno, o que explica por que um fluxo de água que cai de uma torneira se quebra em gotas, e por que uma camada uniforme de água em um fio de teia de aranha se aglutina em contas separadas.

"É surpreendente encontrar essa física cotidiana no mundo em nanoescala da biologia molecular, "disse Gouveia.

Estendendo seu estudo, os pesquisadores descobriram que o espaçamento e o tamanho dos glóbulos TPX2 em um microtúbulo são determinados pela espessura do revestimento TPX2 inicial, ou seja, quanto TPX2 está presente. Isso pode explicar por que a ramificação dos microtúbulos é alterada nas células cancerosas que superexpressam TPX2.

"Usamos simulações para mostrar que essas gotículas são uma maneira mais eficiente de fazer ramos do que apenas ter um revestimento uniforme ou ligação da proteína ao longo de todo o microtúbulo, "disse Setru.

"Que a física da formação de gotículas, tão vividamente visível a olho nu, tem um papel a ser desempenhado nas escalas do micrômetro, ajuda a estabelecer a interface crescente (sem trocadilhos) entre a física da matéria mole e a biologia, "disse Rohit Pappu, o professor de engenharia Edwin H. Murty da Universidade de Washington em St. Louis, que não estava envolvido no estudo.

"É provável que a teoria subjacente seja aplicável a uma variedade de interfaces entre condensados ​​semelhantes a líquidos e superfícies celulares, "acrescenta Pappu." Suspeito que voltaremos a este trabalho continuamente. "