Un campo emergente explora cómo los grupos de moléculas se condensan dentro de las células, la forma en que las gotas de aceite se juntan y se separan del agua en una vinagreta.

En las células humanas, la «separación de fases líquido-líquido» ocurre porque moléculas grandes y similares se unen en gotitas densas separadas de las partes más diluidas del interior de la célula fluida. Trabajos anteriores habían sugerido que la evolución aprovechó la formación natural de estos «condensados» para organizar células, proporcionando, por ejemplo, espacios aislados para la construcción de máquinas celulares.

Además, los grupos de moléculas anormales y condensados, también llamados «enredados», en gotitas casi siempre están presentes en las células de los pacientes con afecciones neurodegenerativas, incluida la enfermedad de Alzheimer. Si bien nadie sabe por qué se forman tales condensados, una nueva teoría argumenta que las propiedades biofísicas del interior de las células cambian a medida que las personas envejecen, impulsadas en parte por el «amontonamiento molecular» que empaqueta más moléculas en los mismos espacios para afectar la separación de fases.

Los investigadores comparan los condensados ​​con los microprocesadores, computadoras integradas en los circuitos, porque ambos reconocen y calculan las respuestas en función de la información entrante. A pesar del supuesto impacto de los cambios físicos en los procesadores de líquidos, el campo se ha esforzado por aclarar los mecanismos que conectan la separación de fases, la formación de condensados ​​y el cálculo basado en señales químicas, que ocurren a una escala mucho más pequeña, dicen los investigadores. Esto se debe a que los condensados ​​naturales tienen tantas funciones que los experimentos luchan por delinearlas.

Para abordar este desafío, los investigadores de la Escuela de Medicina Grossman de la NYU y el Centro Alemán de Enfermedades Neurodegenerativas construyeron un sistema artificial que reveló cómo la formación de condensados ​​cambia la acción a nivel molecular de las enzimas llamadas quinasas, un ejemplo de computación química. Las quinasas son interruptores de proteínas que influyen en los procesos celulares mediante la fosforilación, uniendo una molécula llamada grupo fosfato, a las moléculas objetivo.

El nuevo análisis, publicado en línea el 14 de septiembre en Molecular Cell, encontró que la formación de condensados ​​diseñados durante la separación de fases ofrecía regiones más «pegajosas» donde las quinasas médicamente importantes y sus objetivos podían interactuar y desencadenar señales de fosforilación.

«Los resultados de nuestro estudio muestran que los cambios físicos como el hacinamiento pueden impulsar la formación de condensados ​​que se convierten en señales bioquímicas, como si los condensados ​​fueran computadoras blandas», dice el autor principal del estudio, Liam Holt, PhD, profesor asociado en el Instituto de Genética de Sistemas en NYU Langone Health..

Entre las quinasas del estudio que se observó que eran más activas en un entorno abarrotado y condensado estaba la quinasa dependiente de ciclina 2, conocida por fosforilar la proteína de unión a microtúbulos Tau. Condensados ​​enredados de Tau se encuentran con frecuencia en las células cerebrales de pacientes con enfermedad de Alzheimer.

«Nuestros experimentos sugieren que la formación de más condensados ​​de Tau impulsa una mayor fosforilación de Tau», añade Holt, también profesor del Departamento de Bioquímica y Farmacología Molecular. «Si estos mecanismos conducen a más muerte de células cerebrales y si revertirlos podría ser un nuevo enfoque de tratamiento, serán preguntas importantes en nuestro próximo trabajo».

Específicamente, el estudio encontró que cuando Tau y la quinasa dependiente de ciclina se condensaron juntas en gotitas densas, hubo una aceleración triple de una fosforilación en un grupo de sitios en Tau (el epítopo AT8) relacionado con la enfermedad de Alzheimer.

Ingeniería de un biosensor

En la búsqueda de diseñar versiones útiles de estas computadoras, el equipo de investigación probó varios condensados ​​artificiales, sintetizando diferentes moléculas de andamiaje para ver qué quinasas de muestra extrajeron mejor (MAPK3, Fus3 y la quinasa 1 dependiente de ciclina (Cdk1)) junto con sus objetivos. para aumentar la señalización. Los condensados ​​se forman a medida que las moléculas del andamio se entrelazan dentro de las gotas. El equipo descubrió que, en su modelo, la acumulación de grandes biomoléculas en gotitas dentro de organismos vivos unicelulares llamados levaduras hizo que las reacciones de fosforilación fueran cientos de veces más rápidas.

El estudio también encontró que la formación de condensados ​​permite que las quinasas incluidas fosforilen más tipos de moléculas, y sin la presencia de las formas moleculares que normalmente se requieren. Esto sugiere que los condensados ​​en las células abarrotadas crean tipos de cómputo alterados, algunos potencialmente relacionados con enfermedades.

En el futuro, el equipo de investigación busca aprovechar un estudio anterior en el laboratorio de Holt, que encontró que un complejo de proteínas llamado mTORC1 controla el hacinamiento molecular al determinar la cantidad de ribosomas, «máquinas» que construyen otras proteínas grandes en las células. El equipo planea estudiar si los compuestos conocidos por inhibir mTORC1 pueden reducir el hacinamiento y la fosforilación de Tau.

Finalmente, los investigadores también esperan que sus hallazgos avancen en el diseño de otras computadoras celulares que reaccionan a las fuerzas físicas. Esto podría incluir la introducción de procesadores diseñados en las células inmunitarias que, para atacar las células cancerosas, se activarían cuando trataran de introducirse en el tejido denso por el crecimiento de tumores.

Junto con Holt, los autores del estudio del Instituto de Genética de Sistemas de NYU Langone Health fueron Dajun Sang y Tong Shu. También los autores del estudio fueron Christian Pantoja, Alain Ibanez de Opakua y Markus Zweckstetter del Centro Alemán de Enfermedades Neurodegenerativas (DZNE), Göttingen, Alemania. Zweckstetter también es profesor en el Instituto Max Planck de Ciencias Multidisciplinarias, Departamento de Biología Estructural basada en RMN.

El estudio fue financiado por las subvenciones de los Institutos Nacionales de Salud R01 GM132447, R37 CA240765 y TR01 NS127186. También apoyaron el trabajo la Sociedad Estadounidense del Cáncer, el Premio al Cáncer Pershing Square Sohn, la Iniciativa Chan Zuckerberg, la competencia Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria (MURI) del Departamento de Defensa, el Deutsche Akademischer Austauschdienst (DAAD) y el Consejo Europeo de Investigación.