Emerge la comprensione: gli scienziati del MBL visualizzano la creazione di condensati
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In una cellula moltissime molecole si muovono in modo caotico, ma alcune si trovano, interagiscono e danno origine a strutture e funzioni cellulari sofisticate che non si sarebbero potute prevedere studiando le sole molecole.
Capire come nascono le proprietà emergenti nelle cellule - in questo caso, come si formano spontaneamente gocce liquide chiamate condensati da molecole in rapido movimento - "è un problema davvero difficile, soprattutto se vogliamo collegare le proprietà molecolari a quelle dei condensati", dice Michael Rosen, scienziato Whitman del Marine Biological Laboratory (MBL) dell'University of Texas Southwestern Medical Center.
Ma questa settimana, su Science, Rosen e altri 10 membri di un'ampia collaborazione del MBL, il Chromatin Consortium, propongono un modello a lungo atteso su come le proprietà di un condensato possano emergere dalle proprietà delle singole molecole che lo compongono.
Le loro scoperte si concentrano sulla cromatina, il materiale densamente compattato nei cromosomi che consiste nelle nostre informazioni genetiche - lunghi filamenti di DNA - avvolti strettamente intorno alle proteine.
Nello studio, gli scienziati hanno combinato due potenti tecnologie - l'imaging (crioET) per visualizzare le unità di base della cromatina (i nucleosomi) e le simulazioni avanzate al computer per esplorare il modo in cui queste unità si collegano tra loro per formare i condensati - "per darci una visione di un condensato che non abbiamo mai avuto prima, in termini di dettaglio e di livello di comprensione che è stato fornito", dice Rosen.
Nella cromatina, i nucleosomi sono legati tra loro come perline su un filo, collegate da tratti di DNA linker. La lunghezza del DNA linker, si è scoperto, è molto importante per determinare la struttura dei nucleosomi successivi sulla stringa, e le strutture dei nucleosomi definiscono in ultima analisi il modo in cui le molecole si legano insieme per formare il condensato.
Oltre alla cromatina, il nuovo lavoro fornisce uno schema per studiare e comprendere l'organizzazione e la funzione di molti tipi di condensati. Questi blob privi di membrana svolgono molte funzioni importanti in tutta la cellula, dalla regolazione dell'espressione genica alla risposta allo stress.
Capire come si formano e funzionano queste strutture simili a gocce può aiutare i ricercatori a capire cosa succede quando la condensazione va male, un potenziale fattore che contribuisce a diverse malattie, dalle condizioni neurodegenerative al cancro.
"Con questa ricerca capiremo meglio come una condensazione anomala possa portare a diverse malattie e, potenzialmente, questo potrebbe aiutarci a sviluppare una nuova generazione di terapie", spiega Huabin Zhou, scienziato post-dottorato del Rosen Lab e autore principale della nuova ricerca.
Immagine ricostruita dell'unità di base della cromatina, il nucleosoma. I nucleosomi si legano tra loro come perline su un filo, collegate da tratti di DNA linker. Per formare un condensato, queste stringhe si legano l'una all'altra per creare una grande rete.
Zhou et al., Science, 2025
Il ruolo essenziale della MBL
Da quando è stata osservata la formazione di condensati in cellule vive durante il corso di fisiologia dell'MBL del 2008, "uno degli obiettivi di lunga data della comunità è stato quello di collegare il modo in cui le molecole si comportano al modo in cui si comportano i condensati", spiega Rosen.
Nel 2012, in un importante articolo pubblicato su Nature, il laboratorio di Rosen ha proposto un meccanismo biochimico per la formazione dei condensati in vitro. E sette anni dopo, il suo laboratorio è stato il primo a riconoscere formalmente la capacità della cromatina di formare condensati.
Tuttavia, la visualizzazione dell'effettiva transizione da un insieme di molecole a una goccia liquida è rimasta sfuggente alla comprensione.
"È una transizione di scala", spiega Rosen. "Le molecole sono su scala nanometrica e i condensati su scala micrometrica, e i condensati hanno proprietà uniche per la loro scala, come la viscosità. Non si può parlare di viscosità di una molecola. La viscosità è qualcosa che si verifica quando migliaia o milioni di molecole si uniscono per formare un liquido".
Il Chromatin Consortium si è riunito al MBL nelle ultime tre estati. I dati di crio-ET (imaging), ottenuti presso l'HHMI Janelia e portati a Woods Hole, hanno mostrato dove si trovavano le unità della cromatina (i nucleosomi). All'MBL hanno lottato per scalare quei dati a una risoluzione più elevata, utilizzando simulazioni al computer guidate da Rosana Collepardo-Guevara dell'Università di Cambridge, per capire esattamente come i nucleosomi si uniscono per produrre il condensato.
"Per scoprire i dettagli molecolari nascosti nelle immagini crio-ET, abbiamo dovuto progettare un nuovo modello computerizzato (un modello a grana grossa) in grado di scalare fino ai condensati e di catturare fedelmente la chimica sottostante nei nucleosomi", spiega Collepardo-Guevara.
"I modelli a grana grossa semplificano sempre la realtà; come si suol dire, tutti i modelli sono sbagliati, ma alcuni sono utili. Ciò che ha reso utile il nostro è stato l'MBL", afferma Collepardo-Guevara. "Stare insieme per settimane nel corso di tre estati, esaminando le mappe crio-ET e altri dati sperimentali, testando le simulazioni e discutendo su ciò che i dati ci stavano realmente dicendo, ha creato la comprensione di cui questo problema aveva bisogno. All'MBL, la nostra strategia di simulazione si è trasformata da un'idea in un metodo potente che il mio gruppo non avrebbe potuto costruire da solo. L'MBL offre un livello di concentrazione e di pensiero collettivo interdisciplinare che consente di fare passi da gigante".
"Non era solo difficile dal punto di vista tecnico, ma anche concettuale", afferma Rosen. "Credo sinceramente che l'unico modo in cui avremmo potuto farcela fosse il nostro programma congiunto all'MBL. Abbiamo dovuto parlare e parlare e parlare e parlare di come implementare tutto questo... Per quattro o sei settimane al MBL ogni estate, abbiamo vissuto e respirato queste cose insieme".
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Huabin Zhou, Jan Huertas, M. Julia Maristany, Kieran Russell, June Ho Hwang, Run-Wen Yao, Nirnay Samanta, Joshua Hutchings, Ramya Billur, Momoko Shiozaki, Xiaowei Zhao, Lynda K. Doolittle, Bryan A. Gibson, Andrea Soranno, Margot Riggi, Jorge R. Espinosa, Zhiheng Yu, Elizabeth Villa, Rosana Collepardo-Guevara, Michael K. Rosen; "Multiscale structure of chromatin condensates explains phase separation and material properties"; Science, Volume 390
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