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Goccioline misteriose all'interno delle cellule: in che modo la separazione di fase sta cambiando la biologia?
Nel campo della biochimica, i condensati biomolecolari sono una classe di organelli privi di membrana e di sottodomini di organelli responsabili dello svolgimento di funzioni specializzate all'interno della cellula. La composizione di questi condensati non è controllata da una membrana limite, bensì l'organizzazione è formata e mantenuta attraverso una serie di processi diversi. Il processo più noto è la separazione di fase di proteine, RNA e altre biomacromolecole in aggregati quali emulsioni colloidali, gel, cristalli liquidi, cristalli solidi o all'interno delle cellule.
Contesto storicoL'emergere dei condensati biomolecolari ha cambiato completamente la nostra comprensione della struttura interna e della funzione delle cellule.
Teoria delle microcelle
La teoria delle micelle fu proposta da Karl Negely nel 1858, che studiò in dettaglio i granuli di amido. Egli credeva che le sostanze amorfe, come l'amido e la cellulosa, fossero composte da elementi costitutivi disposti in cristalli sciolti a formare micelle. L'acqua può penetrare tra queste cellule e tra quelle vecchie possono formarsi nuove cellule. Questo modello non viene utilizzato solo per descrivere il rigonfiamento dei granuli di amido, ma si applica anche alla cellulosa nelle pareti delle cellule vegetali.
Teoria della separazione di fase colloidale
Verso la fine del XIX secolo, William B. Hardy ed Edmund Beecher Wilson descrissero il citoplasma (allora chiamato "protoplasma") come un colloide. Nel suo lavoro sulle proteine globulari, Hardy collegò la formazione di colloidi biologici alla separazione di fase, sottolineando come le particelle colloidali si disperdano in un solvente e formino una fase interna. In studi successivi, gli scienziati hanno iniziato a riesaminare l'importanza della separazione di fase nella struttura interna delle cellule.
Una revisione della separazione di fase
Grazie ai progressi della microscopia confocale alla fine del XX secolo, i ricercatori scoprirono che proteine, RNA o carboidrati potevano essere localizzati in molti gruppi di cellule prive di membrana. Durante questo periodo, il concetto di separazione di fase fu reintrodotto nella biologia cellulare e fu proposta l'idea che le macromolecole biologiche subiscano una separazione di fase all'interno delle cellule.
Esempi di separazione di fase
Condensati citoplasmatici
Molti condensati presenti nel citoplasma, come i corpi di Lewy, i granuli di stress e i granuli P, si formano tramite separazione di fase liquido-liquido o liquido-solido. Queste strutture svolgono importanti funzioni biologiche all'interno delle cellule e la loro morfologia e le loro caratteristiche dinamiche stanno ricevendo sempre più attenzione da parte della ricerca.
Condensati intranucleari
Si ritiene inoltre che i nucleoli, le macchie nucleari e altre strutture intranucleari si formino tramite un meccanismo di separazione di fase simile a quello dell'interno citoplasmatico, sempre nel contesto dei condensati biomolecolari.
Il ruolo della separazione di fase in biologia
La separazione di fase è considerata il fulcro dell'interazione coordinata all'interno delle cellule e molti processi biologici, come la trasduzione del segnale e la regolazione dell'espressione genica, hanno dimostrato di essere correlati alle strutture fibrose e alla separazione di fase delle goccioline. Ad esempio, il complesso sopramolecolare nel percorso di segnalazione Wnt è composto dalla proteina Dsh attraverso la separazione di fase e l'aggregazione, svolgendo quindi un ruolo importante nella trasduzione del segnale.
Molti processi di separazione di fase sono strettamente correlati alla salute delle cellule e agli stati patologici, e l'esplorazione delle malattie sta diventando una direzione importante per la futura ricerca biomedica.
Condensati biomolecolari sintetici
Nell'ambito della biologia sintetica, gli scienziati hanno iniziato a sviluppare condensati biomolecolari sintetici che possono essere utilizzati per esplorare l'organizzazione e la funzione cellulare. Grazie alla progettazione e al controllo flessibili, i condensati sintetici possono offrire reattività, efficienza e capacità di regolazione e possono essere utilizzati come piattaforme per la somministrazione di farmaci.
Metodi di ricerca
Per acquisire una comprensione più approfondita delle proprietà dinamiche di questi condensati biomolecolari e dei principi operativi di base delle cellule, gli scienziati utilizzano una varietà di tecniche per osservarli e studiarli, tra cui la microscopia ad alta risoluzione, l'etichettatura delle proteine e l'imaging delle cellule vive, che consentono loro Per tracciare e manipolare il comportamento della materia condensata si è ulteriormente favorito il progresso in biologia e medicina.
Man mano che approfondiamo la nostra comprensione dei condensati biomolecolari, in futuro potremmo essere in grado di esplorare più chiaramente il loro ruolo nella biologia e potremmo persino aprire nuove idee per il trattamento di diverse malattie. In che misura queste misteriose strutture liquide influenzano il funzionamento della vita?
