Una instantánea de una gotita de proteína (imagen del medio) rodeada de múltiples interacciones de aminoácidos (que se muestran alrededor de la gotita) que estabilizan la gotita de líquido rico en proteínas. | Imagen: Ingeniería de Texas A&M
La observación de una célula biológica revela un mundo microscópico ajetreado. Los caballos de batalla de este reino son estructuras especializadas llamadas orgánulos que realizan funciones celulares vitales.
Curiosamente, algunos orgánulos desafían las convenciones aceptadas: en lugar de estar encerrados dentro de una membrana protectora, no tienen membranas y toman la forma de gotas líquidas aisladas. Las reglas que gobiernan la formación de estas gotas, un proceso llamado “separación de fases líquido-líquido”, es un área de investigación nueva y muy solicitada.
Un equipo de científicos de Texas A&M Engineering, la Universidad de Delaware y la Universidad de Rutgers descubrieron que los aminoácidos, o residuos, que forman las proteínas dentro de las gotitas interactúan de muchas más formas de las que se reconoce actualmente. Muestran que estas interacciones facilitan el ensamblaje de proteínas y, finalmente, la separación de la fase líquido-líquido en gotas.
Los investigadores publicaron sus hallazgos en la revista Nature Chemistry.
Su trabajo es un paso hacia la ampliación de la comprensión de la biología celular, el desarrollo de tratamientos para enfermedades que involucran agregados proteicos patológicos, como el Alzheimer y el Parkinson, y el desarrollo de nuevos materiales blandos de bioingeniería.
El reciente descubrimiento de gotitas líquidas dentro de células vivas se realizó por primera vez en las células germinales de un gusano que habita en el suelo, Caenorhabditis elegans (C. elegans). Dentro del embrión del gusano, unas estructuras sin membrana llamadas gránulos P realizan funciones reproductivas esenciales. Cuando investigaron más a fondo, los investigadores descubrieron que los gránulos de P no tenían membranas y podían gotear, agruparse o disolverse, teniendo características similares a las de un líquido. Además, estos gránulos de P podrían mantener su integridad dentro del citoplasma gelatinoso, como las gotas de aceite en el agua.
«En 2009 hubo un cambio fundamental en el pensamiento sobre la compartimentación celular en términos de la aparición de estructuras similares a gotas», dijo el Dr. Jeetain Mittal, profesor Artie McFerrin en el Departamento de Ingeniería Química y autor principal. «La mayoría de los biólogos han comenzado a aceptar que la separación de fases no es la excepción sino la regla con la que las células biológicas compartimentan unidades funcionales distintas de los orgánulos unidos a membranas».
Pero, ¿cómo es posible que sólo proteínas específicas que circulan en el citoplasma junto con millones de otras se unan en gotitas funcionales? La evidencia indica que las proteínas intrínsecamente desordenadas o aquellas sin una estructura tridimensional ordenada pueden ser esenciales en la separación de fases. Sin embargo, las interacciones entre proteínas desordenadas que organizan la separación de fases aún no se han delineado por completo.
«Todavía no tenemos una idea muy clara de qué aminoácidos en las regiones desordenadas proporcionan la fuerza impulsora para la separación de fases», dijo Shiv Rekhi, estudiante de posgrado en el laboratorio de Mittal y autor principal. «Queríamos ir más allá de las reglas establecidas, incluso mostrar la separación de fases y luego cuantificar cómo cada aminoácido contribuía al proceso».
Para la investigación, el equipo utilizó una proteína sintética desordenada con secuencias de aminoácidos que se asemejan a las proteínas naturales. Luego, los investigadores crearon variantes de proteínas eliminando o agregando un tipo específico de aminoácido y evaluaron si todavía se producía condensación en las gotas. Con sus colaboradores, realizaron experimentos de microscopía y turbidez para evaluar la naturaleza física de la gota enriquecida con proteínas. Finalmente, utilizando simulaciones a gran escala, Rekhi exploró cómo las interacciones atómicas entre los aminoácidos en la secuencia de proteínas se traducían en la formación de gotas líquidas observadas experimentalmente.
“La opinión predominante es que la tirosina y/o la arginina son necesarias para la separación de fases. Probamos esto directamente, creando variantes de proteínas de las que eliminamos estos residuos y aun así logramos la separación de fases”, dijo Rekhi. «Este y muchos otros experimentos nos han dicho que la separación de fases puede ocurrir sin gran parte del desperdicio que la gente cree que es necesario».
Los investigadores encontraron que todas menos una de las 12 variantes de proteínas mostraban separación de fases, destacando la presencia de múltiples interacciones entre los residuos de aminoácidos que componen la proteína desordenada.
“Durante un tiempo, la gente en el campo supuso que un conjunto limitado de reglas podría describir la formación de gotas. Hemos demostrado que todo lo que hay en la secuencia de proteínas es importante”, afirmó Mittal. «Nuestro artículo establece que el lenguaje molecular de la separación de fases es mucho más rico y complejo».
Otros colaboradores de la investigación incluyen a Cristóbal García García y la Dra. Kristi L. Kiick de la Universidad de Delaware; Mayur Barai y el Dr. Benjamin Schuster de Rutgers, Universidad Estatal de Nueva Jersey.
Esta investigación está financiada por la Fundación Nacional de Ciencias, el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales de los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Welch.
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