Ricerche

Le funzioni globali del condensato sono determinate dalla diffusione locale regolata dal nanodominio all'interno dei condensati. (Fonte: Gao et al / Nature Nanotechnology)

All’interno della cellula risiedono numerose piccole fabbriche e magazzini di assemblaggio che raccolgono tutte le proteine ​​e gli RNA – che eseguono le istruzioni del nostro DNA – di cui un essere vivente ha bisogno.

Questi complessi, chiamati 'condensati biomolecolari', aiutano a regolare il modo in cui le cellule si dividono e rispondono allo stress isolando ed elaborando RNA e proteine. Tuttavia, non hanno una membrana che li separi dal resto del nucleo, ma i loro macchinari si condensano insieme, come il vapore acqueo si condensa fugacemente per formare nuvole nel cielo, afferma Nils Walter, professore di chimica dell'Università del Michigan.

Ma gli scienziati non sono sicuri di come funzionano i processi che controllano il destino di queste goccioline biomolecolari. La scansione di questi processi si è rivelata difficile: tutto all'interno di una cellula si muove ed è difficile da individuare, e i condensati biomolecolari hanno la tendenza a rotolare quando vengono posizionati su un vetrino da microscopio per l'esame.

Ora, ricercatori della UM guidati da Walter hanno sviluppato un metodo per esaminare l’interno delle goccioline, concentrandosi su una proteina chiamata 'fusa nel sarcoma' (FUS, fused in sarcoma), che spesso si condensa nei pazienti affetti dalla malattia neurodegenerativa sclerosi laterale amiotrofica (SLA). Hanno scoperto che i movimenti di molecole di RNA e proteine ​​all’interno di questi condensati biomolecolari sono rallentati all’interno di aree distinte e infinitesimali che i ricercatori chiamano nanodomini. Nel corso del tempo, man mano che i condensati invecchiano, i nanodomini si spostano sulla superficie della goccia.

I ricercatori, nello studio pubblicato su Nature Nanotechnology, hanno anche applicato farmaci usati per curare la SLA e malattie simili ai condensati biomolecolari e hanno visto che i farmaci possono agire, in parte, accelerando il movimento dei nanodomini sulla superficie delle goccioline, accelerando la formazione di fibrille lì. Si ritiene che queste fibrille proteggano i neuroni dalla degradazione poiché assorbono aggregati tossici più piccoli durante la progressione della SLA.

"C'è molta speranza che, manipolando questi condensati, possiamo usarli per scopi medici, come rallentare le malattie neurodegenerative, trasformarli in un deposito per farmaci che possono essere rilasciati lentamente nel tempo o isolare proteine ​​indesiderate come quelle correlate al cancro o ai virus inducendole a formare condensati", ha affermato Walter, direttore del Center for RNA Biomedicine dell'UM. “Capire come si formano – e cosa si sviluppa al loro interno man mano che invecchiano – è essenziale per trovare modi per influenzare positivamente il processo”.

Il FUS è un regolatore centrale del metabolismo dell'RNA cellulare e si condensa quando le cellule subiscono una conduzione di stress chiamata 'separazione della fase iposmotica' (hyposmotic phase separation). In questa condizione, la cellula subisce una concentrazione di sale superiore al normale, che fa sì che la cellula si adatti perdendo acqua e restringendosi fino al 50%. Dopo un po’, quando lo stress non viene rilasciato, le cellule avviano programmi di espressione genetica per gonfiarsi nuovamente. La condensazione FUS può avere un ruolo nel facilitare i programmi corretti.

Alcune mutazioni genetiche del FUS portano a tumori e malattie neurodegenerative come la SLA. Dopo la mutazione, il FUS si accumula e poi si condensa nel citoplasma della cellula. L’aggregazione di FUS nel tempo è collegata alla SLA e alla demenza frontotemporale. Ma catturare la progressione di questo cambiamento patologico è difficile, dicono i ricercatori, così come catturare immagini di come il FUS si condensa e i condensati invecchiano.

Per studiare come si condensa il FUS, i ricercatori hanno purificato una forma intera della proteina. Per prima cosa hanno aggiunto alla proteina un tipo di zucchero che ne impedisce la condensazione e che potevano rimuovere a piacimento, innescando la condensazione della proteina. I ricercatori hanno etichettato una sonda di RNA e la proteina con due diversi coloranti fluorescenti. Ciò ha consentito loro di usare la microscopia a fluorescenza per seguire la diffusione di singole molecole di RNA e proteine ​​nelle goccioline condensate.

Ma c'era un altro ostacolo da superare: le goccioline di condensa biomolecolare sono difficili da trattenere per poter essere esaminate da un microscopio, dice Walter.

"Se si crea un condensato e lo si mette su un vetrino da microscopio, può rotolare sulla superficie o oscillare avanti e indietro. Se ciò accade, il tracciamento delle particelle diventa problematico", ha detto Walter. "Quindi devi immobilizzare la condensa sulla superficie, ma devi farlo in modo molto giudizioso. Ad esempio, se hai troppi ancoraggi sulla superficie della condensa, questa si appiattisce e diventa una frittella".

Il gruppo di ricerca ha trovato un supporto composto da ancoraggi appena sufficienti per mantenere ferma la gocciolina e, usando un tipo di microscopia chiamata HILO, i ricercatori hanno potuto monitorare i movimenti delle singole molecole all’interno della gocciolina. Ciò ha permesso loro di vedere dove le particelle si riunivano all’interno della gocciolina.

La tecnica ha inoltre consentito ai ricercatori di osservare la formazione di fibrille attorno a questi condensati FUS. I ricercatori hanno poi applicato i farmaci a piccole molecole, usati per curare la SLA, ai biocondensati per vedere come influenzavano le proteine ​​FUS. Hanno scoperto che i farmaci facevano sì che i gruppi di nanodomini di FUS si spostassero più rapidamente verso la superficie del condensato, da dove crescevano le fibre.

"Ma i nostri risultati nel complesso significano che, per la prima volta, vediamo questi nanodomini come potenziali semi per queste fibre", ha detto Walter. “Forse i farmaci che abbiamo usato, l’edaravone e soprattutto il riluzolo, hanno un altro effetto oltre a quelli conosciuti, aiutando i condensati a fibralizzarsi più velocemente e proteggendo il neurone”.

Walter afferma che la comprensione dei meccanismi all'interno dei condensati biomolecolari è un argomento importante per i ricercatori in questo momento: "Il campo della condensazione di fase è esploso. Ci sono molti di questi condensati di fase nelle cellule che accelerano le reazioni o isolano le cose in modo che non possano provocare il caos. Si sta imparando moltissima biologia in un’area della biologia in rapida evoluzione”.