Control of filament network rigidity by the condensation of crowding molecules
Questo studio dimostra che la condensazione di macromolecole affollanti in goccioline liquide induce una perdita reversibile, di un ordine di grandezza, della rigidità nelle reti di filamenti modulando la pressione osmotica che tiene insieme la rete.
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All'interno di ogni cellula vivente, un complesso' impalcatura di aste microscopiche tiene insieme la struttura, molto simile alle travi d'acciaio di un grattacielo. Questi filamenti non sono statici; si riorganizzano costantemente per aiutare la cellula a muoversi, dividersi e rispondere al proprio ambiente. Gli scienziati sanno da tempo che queste strutture possono cambiare la loro rigidità, diventando rigide o morbide a seconda delle condizioni. Tuttavia, una domanda fondamentale è rimasta senza risposta: come fa la separazione dei liquidi all'interno di una cellula, un processo in cui le molecole si raggruppano per formare goccioline distinte, a controllare direttamente la forza meccanica di questa rete di filamenti? Questa domanda si colloca all'intersezione tra biologia e fisica, esplorando come la natura disordinata e fluida della vita si traduca nelle forze precise che modellano i nostri corpi e che un giorno potrebbero guidare la creazione di nuovi materiali intelligenti.
Un team di ricercatori del Georgia Institute of Technology ha fornito ora una risposta chiara costruendo un modello semplificato di questo ambiente cellulare. Hanno creato una miscela di due componenti specifici: filamenti rigidi e a forma di spirale prelevati da code batteriche, e proteine artificiali progettate per raggrupparsi quando riscaldate. I filamenti batterici, che sono spessi circa 23 nanometri e lunghi circa 5 micrometri, si aggrovigliano naturalmente tra loro per formare una rete rigida e interconnessa. Le proteine artificiali, note come polipeptidi simili all'elastina, agiscono come elementi di coesione nella soluzione; quando la temperatura sale, esse si separano dall'acqua e si condensano in goccioline liquide, proprio come l'olio che si separa dall'aceto, sebbene questo sia l'unico paragone utilizzato qui per illustrare il concetto di separazione di fase.
I ricercatori hanno osservato cosa accadeva alla rigidità della rete di filamenti mentre facevano variare la temperatura su e giù. Quando le proteine artificiali erano sciolte uniformemente nel liquido, i filamenti venivano spinti l'uno contro l'altro dall'effetto di affollamento delle proteine, formando fasci stretti che creavano una rete forte e rigida. Tuttavia, non appena la temperatura aumentava e le proteine si condensavano in goccioline, la rete perdeva la sua rigidità. Il materiale diventava significamente più morbido, con la sua resistenza alla deformazione che diminuiva di un fattore dieci. Quando i ricercatori raffreddavano la miscela, le goccioline si scioglievano, le proteine si disperdevano e la rete recuperava istantaneamente la sua rigidità originale. Questo cambiamento reversibile avveniva ripetutamente, provando che la condensazione delle molecole di affollamento era la causa diretta dello spostamento meccanico.
Per capire perché ciò accadesse, il team ha esaminato attentamente il comportamento microscopico dei filamenti. Hanno scoperto che, quando le proteine erano sciolte, agivano come un solvente che schiacciava i filamenti insieme, forzandoli a raggrupparsi in fasci e a incastrarsi in posizione. Questa forza di compressione, guidata dalla pressione delle proteine affollate, era essenziale per mantenere unita la rete. Una volta che le proteine formavano delle goccioline, lasciavano il liquido circostante, causando un brusco calo di questa pressione di compressione. Senza tale pressione, i filamenti non erano più costretti in fasci stretti. Invece, iniziavano a oscillare e ruotare liberamente, indicando che la rete aveva perso la sua integrità strutturale. I ricercatori hanno confermato che i filamenti stessi non si rompevano né cambiavano forma; piuttosto, la perdita della forza di compressione permetteva loro di muoversi, trasformando una struttura simile a un solido in una simile a un fluido.
Lo studio esclude l'idea che le goccioline semplicemente bucassero la rete o che i filamenti venissero incollati dalle goccioline. Al contrario, le prove indicano un meccanismo in cui la presenza di proteine sciolte crea una pressione osmotica che lega insieme i filamenti. Quando le proteine si condensano, questa pressione di legame svanisce e la rete collassa in uno stato più morbido. I ricercatori hanno misurato la dimensione degli spazi tra i filamenti e hanno scoperto che, sebbene la spaziatura fisica cambiasse leggermente, il drastico cambiamento nella rigidità era guidato dal cambiamento nel modo in cui i filamenti si muovevano e interagivano, non da un importante riarrangiamento della struttura stessa.
Questa scoperta offre un nuovo modo di pensare a come funzionano i materiali biologici e a come potremmo progettarli. Controllando la separazione di fase delle molecole di affollamento, è possibile modulare la rigidità di una rete di filamenti su richiesta. Questo principio potrebbe servire come modello per la creazione di materiali dinamici in grado di passare tra stati duri e morbidi, imitando l'adattabilità che si trova nelle cellule viventi. Il lavoro dimostra che la meccanica dei materiali soffici non riguarda solo i componenti solidi che contengono, ma anche le forze invisibili generate dalle molecole che vi fluttuano intorno.
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