Control of filament network rigidity by the condensation of crowding molecules
Deze studie toont aan dat de condensatie van macromoleculaire crowders in vloeibare druppels een reversibel verlies van een orde van grootte aan stijfheid in filamentnetwerken induceert door de osmotische druk die het netwerk bijeenhoudt te moduleren.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
In elke levende cel vormt een complexe steiger van microscopische staven de structuur, vergelijkbaar met de stalen balken in een wolkenkrabber. Deze filamenten zijn niet statisch; ze herschikken zich voortdurend om de cel te helpen bewegen, te delen en te reageren op zijn omgeving. Wetenschappers weten al lang dat deze structuren hun stijfheid kunnen veranderen, door rigide of zacht te worden afhankelijk van de omstandigheden. Een fundamentele vraag bleef echter onbeantwoord: hoe regelt de scheiding van vloeistoffen binnen een cel, een proces waarbij moleculen samenklonteren om afzonderlijke druppels te vormen, direct de mechanische sterkte van dit filamentnetwerk? Deze vraag bevindt zich op het snijvlak van biologie en fysica, en onderzoekt hoe de rommelige, fluïde aard van het leven vertaalt naar de precieze krachten die onze lichamen vormen en op een dag de creatie van nieuwe, slimme materialen zou kunnen sturen.
Een team onderzoekers aan het Georgia Institute of Technology heeft nu een duidelijk antwoord gegeven door een vereenvoudigd model van deze cellulaire omgeving te bouwen. Ze creëerden een mengsel van twee specifieke componenten: stijve, spiraalvormige filamenten afkomstig van bacteriële staarten, en kunstmatige eiwitten die de neiging hebben samen te klonteren wanneer ze worden verhit. De bacteriële filamenten, die ongeveer 23 nanometer dik en ongeveer 5 micrometer lang zijn, raken van nature met elkaar verstrengeld om een rigide, onderling verbonden netwerk te vormen. De kunstmatige eiwitten, bekend als elastin-achtige polypeptiden, fungeren als 'crowd-pleasers' in de oplossing; wanneer de temperatuur stijgt, scheiden ze zich van het water en condenseren ze tot vloeibare druppels, vergelijkbaar met olie die zich scheidt van azijn, hoewel dit de enige vergelijking is die hier wordt gebruikt om het concept te illustreren.
De onderzoekers observeerden wat er met de stijfheid van het filamentnetwerk gebeurde terwijl ze de temperatuur omhoog en omlaag cyclden. Wanneer de kunstmatige eiwitten gelijkmatig door de vloeistof waren opgelost, werden de filamenten door het verdringingseffect van de eiwitten naar elkaar toe geduwd, waardoor ze strakke bundels vormden die een sterk, rigide netwerk creëerden. Echter, zodra de temperatuur toenam en de eiwitten condenseerden tot druppels, verloor het netwerk zijn stijfheid. Het materiaal werd aanzienlijk zachter, waarbij de weerstand tegen vervorming met een factor tien afnam. Wanneer de onderzoekers het mengsel weer afkoelden, losten de druppels op, verspreidden de eiwitten zich en herwon het netwerk onmiddellijk zijn oorspronkelijke stijfheid. Deze omkeerbare verandering gebeurde herhaaldelijk, wat bewees dat de condensatie van de verdringende moleculen de directe oorzaak was van de mechanische verschuiving.
Om te begrijpen waarom dit gebeurde, keken de onderzoekers nauwgezet naar het microscopische gedrag van de filamenten. Ze ontdekten dat wanneer de eiwitten opgelost waren, ze fungeerden als een oplosmiddel dat de filamenten naar elkaar toe perste, waardoor ze dwongen te bundelen en op hun plaats te vergrendelen. Deze samendrukkende kracht, gedreven door de druk van de verdringende eiwitten, was essentieel voor het bij elkaar houden van het netwerk. Zodra de eiwitten druppels vormden, verlieten ze de omringende vloeistof, wat zorgde voor een scherpe daling in deze samendrukkende druk. Zonder die druk werden de filamenten niet langer gedwongen in strakke bundels. In plaats daarvan begonnen ze vrij te wiebelen en te roteren, wat erop wees dat het netwerk zijn structurele integriteit had verloren. De onderzoekers bevestigden dat de filamenten zelf niet braken of van vorm veranderden; eerder zorgde het verlies van de samendrukkende kracht ervoor dat ze konden bewegen, waardoor een solide structuur veranderde in een fluïde structuur.
De studie sluit de mogelijkheid uit dat de druppels simpelweg gaten in het netwerk prikken of dat de filamenten door de druppels aan elkaar worden gelijmd. In plaats daarvan wijst het bewijs op een mechanisme waarbij de aanwezigheid van opgeloste eiwitten een osmotische druk creëert die de filamenten aan elkaar bindt. Wanneer de eiwitten condenseren, verdwijnt deze bindende druk en stort het netwerk in tot een zachtere staat. De onderzoekers maten de grootte van de openingen tussen de filamenten en ontdekten dat hoewel de fysieke afstand licht veranderde, de dramatische verschuiving in stijfheid werd gedreven door de verandering in hoe de filamenten bewogen en met elkaar interacteerden, en niet door een grote herrangschikking van de structuur zelf.
Deze ontdekking biedt een nieuwe manier om na te denken over hoe biologische materialen werken en hoe we ze zouden kunnen ontwerpen. Door de fase-scheiding van verdringende moleculen te controleren, is het mogelijk om de stijfheid van een filamentnetwerk op aanvraag af te stemmen. Dit principe kan dienen als blauwdruk voor het creëren van dynamische materialen die tussen harde en zachte toestanden kunnen schakelen, waarbij ze de aanpassingsvermogen van levende cellen nabootsen. Het werk demonstreert dat de mechanica van zachte materialen niet alleen gaat over de vaste componenten die ze bevatten, maar ook over de onzichtbare krachten die worden gegenereerd door de moleculen die eromheen zweven.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.