Mediul celular aglomerat, o unealtă de proiectare pentru picăturile artificiale de ADN
Cercetătorii de la Institute of Science Tokyo au demonstrat că aglomerarea macromoleculară, fenomenul prin care interiorul celulei este umplut de numeroase macromolecule, poate fi folosită ca parametru de proiectare pentru controlarea formării și organizării picăturilor sintetice de ADN. Rezultatele, publicate în JACS Au, ar putea susține dezvoltarea unor sisteme celulare artificiale programabile.
În interiorul celulelor, biomolecule precum proteinele și acizii nucleici se pot concentra în regiuni dense numite condensate biomoleculare, care reglează numeroase procese celulare. Aceste condensate sunt influențate de mediul aglomerat din jur, iar înțelegerea modului în care aglomerarea le afectează formarea, stabilitatea și organizarea prezintă interes pentru cercetători.
Pentru experimente, echipa a folosit nanostructuri sintetice de ADN în formă de Y, numite nanostars, care se autoasamblează în picături lichide de ADN. Nanostarsurile se leagă între ele prin secvențe scurte complementare de ADN numite capete lipicioase, iar interacțiunile dintre ele pot duce la o separare de fază lichid-lichid, care produce o fază concentrată de ADN sub formă de picături.
Fără agenți de aglomerare, picăturile s-au format la temperaturi sub 63 °C, pe măsură ce soluția a fost răcită de la 85 °C. Adăugarea de agenți de aglomerare a favorizat formarea picăturilor la temperaturi mai ridicate. La o concentrație de 10%, polietilenglicolul (PEG), dextranul și Ficollul au determinat formarea picăturilor la 76, 65 și, respectiv, 67 °C, ceea ce arată că aglomerarea moleculară a ajutat picăturile să se formeze mai ușor și să rămână stabile la temperaturi mai mari.
Dintre agenții testați, PEG cu masă moleculară mare, de 7,5 kDa, a avut efectul cel mai pronunțat, astfel că cercetătorii l-au selectat pentru experimente suplimentare. Atunci când a fost adăugat la nanostarsuri lipsite de capete lipicioase, PEG nu a produs condensate, ceea ce arată că efectul său depinde de interacțiunile prin capete lipicioase necesare asamblării nanostarsurilor.
Folosind PEG, echipa a arătat că aglomerarea poate organiza diferite picături de ADN în structuri specifice. Au fost create două tipuri de nanostarsuri ale căror capete lipicioase nu puteau interacționa între ele. În condiții normale, cele două tipuri formau picături separate, care nu se amestecau și nu fuzionau. Cu PEG, efectul de aglomerare a adus picăturile în contact fără a le face să fuzioneze.
Prin controlarea concentrației de PEG, a raportului dintre diferitele nanostarsuri și a concentrației de sare, cercetătorii au putut regla modul în care picăturile interacționează și se organizează, obținând de la structuri alternante, asemănătoare unei rețele, până la structuri mai complexe care conțin până la trei tipuri distincte de nanostarsuri de ADN.
Concluziile indică faptul că aglomerarea macromoleculară nu este doar o caracteristică a mediului celular, ci și un parametru puternic de proiectare pentru inginerie. Valorificarea acestui efect ar putea duce la sisteme biomoleculare sintetice cu structuri și funcții controlate. Principiile de proiectare rezultate ar putea contribui la dezvoltarea de țesuturi celulare artificiale, rețele de comunicare moleculară, sisteme de calcul molecular și micro-mașini programabile, în care funcția apare prin auto-organizarea controlată a componentelor biomoleculare.
