O mecanismo de auto-organização molecular foi avaliado em um novo modelo por pesquisadores do Instituto Max Planck de Dinâmica e Auto-Organização (MPIDS). Em seu estudo, eles simularam como fatores ambientais, como temperatura, influenciam o tamanho das gotículas de óleo em matrizes elásticas. O estudo também ajudará a compreender a formação de gotículas em células biológicas, onde as moléculas biológicas se auto-organizam em condensados. O artigo completo foi publicado recentemente na renomada revista. PNAS .

Em biologia, a regulação adequada do interior da célula é crucial para garantir o funcionamento dos processos biológicos. Ainda, as células podem ser estruturas muito complexas com vários milhares de tipos diferentes de moléculas e milhões de números de cópias de proteínas. Para organizar esta vasta complexidade, vários mecanismos são necessários para criar ambientes subcelulares fornecendo condições definidas e dinâmicas. Por exemplo, organelas celulares permitem a segregação de ambientes celulares devido à demarcação via membranas. Contudo, também na matriz celular aglomerada é necessária uma organização estruturada de biomoléculas. Lá, os chamados condensados ​​biomoleculares com uma composição molecular definida podem se formar espontaneamente. Exemplos proeminentes desse fenômeno incluem grânulos de estresse e condensados ​​transcricionais. Esses condensados ​​são rodeados por elementos estruturais elásticos na célula, incluindo o citoesqueleto e a cromatina no núcleo. A questão é:como os condensados ​​são afetados pelas estruturas elásticas e a célula poderia usar essa interação para exercer controle no ambiente celular dinâmico?

Um modelo fornece acesso ao reino da organização molecular

Como em termos práticos não é possível seguir em tempo real a interação detalhada de milhões de moléculas em uma célula, os pesquisadores usam modelos que descrevem facetas individuais do fenômeno. “Estamos usando gotículas de óleo para representar o material no citosol e uma malha de polímero para imitar o arcabouço biológico”, explica Estefania Vidal-Henriquez, primeiro autor do estudo. "O desenvolvimento dinâmico do tamanho da gota sob certas condições nos dá informações sobre como as moléculas biológicas seriam organizadas em um ambiente celular." O modelo descreve a distribuição de diferentes tamanhos de gotículas e sua abundância relativa. Além disso, ele considera que a matriz circundante pode ser quebrada - o que se referiria a um rearranjo do andaime biológico. Isso significa que os condensados ​​biomoleculares não são limitados pelo tamanho da malha de seu entorno, mas são capazes de crescer além.

A separação de fases como o mecanismo-chave

Um conceito poderoso para explicar o crescimento de tais condensados ​​é a separação de fases. Brevemente, dependendo das condições, duas substâncias serão misturadas ou coexistirão separadas uma da outra. Vários fatores podem influenciar a separação de fases na biologia, como pH, concentração, ou temperatura. No modelo, os pesquisadores usaram uma modulação de temperatura para investigar o efeito da separação de fases e formação de gotículas. Abaixando lentamente a temperatura do sistema, uma nucleação espontânea de gotículas de óleo foi observada, que estavam crescendo com o tempo, absorvendo o material ao seu redor. Interessantemente, em uma velocidade de resfriamento mais rápida, mais, mas ocorrem gotículas menores. Portanto, a velocidade com que um fator externo de influência muda desempenha um papel crucial na formação da estrutura.

"Com o nosso modelo, descrevemos como a composição molecular pode ser arranjada em microescala em uma matriz elástica "resume David Zwicker, autor sênior do estudo e líder do grupo no MPIDS. Em relação ao efeito da modulação da temperatura, ele acrescenta que "esperamos um comportamento semelhante para condensados ​​biomoleculares que muitas vezes se formam em resposta a mudanças na temperatura, pH, ou concentração de proteína nas células. ”O modelo fornece a base para descrever a formação de padrões microscópicos tanto no contexto técnico quanto biológico.

A pesquisa foi publicada em Proceedings of the National Academy of Sciences .