Novica

Raziskovalci Kemijskega inštituta so pripravili nov tip celičnih razdelkov, ki omogoča uravnavanje njihove tvorbe, razpada, združevanja in soobstoj različnih novih razdelkov v človeških celicah. Celični razdelki brez membran so sicer eno najbolj aktivih področij raziskav na področju ved o življenju, saj igrajo pomembno vlogo v številnih naravnih in patoloških procesih. Ugotovitve te raziskave prinašajo vpogled v načela, na katerih temelji tekoča fazna separacija in novo platformo za načrtovanje in nadzor bioloških procesov za potencialne biotehnološke in biomedicinske aplikacije in tvorbo novih biomaterialov. Raziskavo so objavili v ugledni reviji Nature Communications.

V celicah potekajo številni procesi in nekatere od teh je potrebno omejiti na določen celični razdelek, kot je npr. jedro ali lizosom, da procesi potekajo nemoteno in bolj učinkovito. Poleg teh kompartmentov, omejenih z membranami, so se znanstveniki nedavno začeli zavedati pomena celičnih kondenzatov, ki niso omejeni z membranami in v katerih se nahajajo proteini ali nukleinske kisline, ki tvorijo ločeno tekočo fazo (t.i. LLPS). Ti kondenzati igrajo pomembno vlogo v številnih naravnih in patoloških procesih in v zadnjih letih so intenzivno raziskovali kako pride do njihove tvorbe, pri čemer so najbolj pogosto raziskovali naravne kondenzate.

Raziskovalci Odseka za sintezno biologijo in imunologijo (D12) Kemijskega inštituta so prišli na idejo, da bi lahko zasnovali celične proteinske kondenzate popolnoma na novo iz modularnih dimernih obvitih vijačnic (coiled-coil, CC). S temi gradniki imajo raziskovalci D12 že dolgoletne izkušnje in so z njimi uvedli številne načine uravnavanja celičnih procesov ali priprave novih proteinov (npr. https://www.nature.com/articles/s41467-023-38697-x, https://www.nature.com/articles/s41467-022-31386-1, https://www.nature.com/articles/s41589-018-0181-6, https://www.nature.com/articles/s41467-021-21185-5... ).

Slika: Zasnova in eksperimentalna potrditev tvorbe tekočih proteinskih kondenzatov v človeški celični liniji.

V skladu s principi sintezne biologije bi lahko s tvorbo umetnih LLPS kondenzatov pridobili nova spoznanja o principih tvorbe LLPS, po drugi strani pa bi lahko tako pridobili sisteme z novim zanimivimi lastnostmi. Dejansko so uspeli pripraviti LLPS kondenzate v človeških celičnih linijah tako, da so zasnovali dve verigi ki sta vsebovali več ponovitev CC dimernih segmentov, kar je vodilo do nastanka kondenzatov v sesalskih celicah. Za to so pripravili destabilizirane CC gradnike, ki so omogočili dinamično izmenjavo in tvorbo tekoče faze. Ugotovili so, da višja stabilnost vodi v rigidne agregate, medtem ko manj stabilni gradniki ne tvorijo kondenzatov. Z modularnim sistemom so uspešno zasnovali kondenzate, ki v celicah kontrolirano nastanejo, razpadejo, se združijo ali omogočijo soobstoj različnih kondenzatov v celici. Ugotovitve te raziskave prinašajo vpogled v načela, na katerih temelji tekoča fazna separacija, in novo platformo za načrtovanje in nadzor bioloških procesov. Poleg sistemov iz dveh komponent so na osnovi poznavanja lastnosti CC uspeli pripraviti tudi LLPS iz enega same polipeptidne verige, po drugi strani pa so lahko z dodatkom tretje polipeptidne verige razbili tvorbo kondenzatov, s čemer se odpira pot za nadzor celičnih procesov za uporabo v biotehnologiji, pripravi novih materialov ali v biomedicini.

V raziskavi, katero je vodil prof. Roman Jerala, največji del je opravila doktorska študentka Maruša Ramšak, so sodelovali tudi drugi raziskovalci Kemijskega inštituta ter Univerze v Koloradu, Boulder iz ZDA, ki so prispevali simulacijo tvorbe kondenzatov iz modularnih gradnikov, raziskava pa je bila objavljena v reviji Nature Communications. Raziskavo je financirala ARIS ter ERC projekt MaCChines.

Ramšak, M., Ramirez, D.A., Hough, L.E., Shirts, M.R., Vidmar, S., Eleršič Filipič, K., Anderluh, G. & Jerala, R. Programmable de novo designed coiled coil-mediated phase separation in mammalian cells. Nat Commun 14, 7973 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-43742-w