Journal Club: Protein condensates as aging Maxwell fluids
Neki stanični odjeljci bez membrane imaju svojstva slična određenim materijalima koja im omogućuju izvršavanje njihove biološke funkcije. Tako su na primjer, P-granule ili stresne granule slične tekućinama, na način da se mogu vrlo brzo fuzionirati i reorganizirati na molekularnoj razini. Neki drugi dijelovi stanice, kao što su centrosomi, manje su dinamični te imaju svojstva amorfnih gelova, dok mikrotubuli imaju svojstva dinamičnih čvrstih tvari. Zbog ovih opažanja, shvatilo se da proučavanje reoloških svojstava bioloških odjeljaka pruža važne informacije o prirodi molekularnih interakcija. Reologija je inače dio fizike koji se bavi tečenjem materije, odnosno njezinim deformacijama koje se pod djelovanjem naprezanja s vremenom bez prestanka povećavaju. Na temelju reološkog ponašanja materije mogu se stvarati zaključci o njezinoj strukturi, a sam naziv reologija je inspiriran je Heraklitovom izrekom panta rei, što znači: sve teče.
Pod određenim uvjetima, otopina proteina in vitro može stvoriti guste proteinske kapljice zvane protein dense droplets. Te kapljice se ponašaju kao tekućine, ali se dinamika tih tekućini sličnih materijala usporava tijekom vremena i one se počinju ponašati sličnije krutim tvarima. Taj fenomen se naziva stvrdnjavanje ili starenje. Postoje tri načina na koje tekućina može postati sličnija krutim tvarima. Prvi način je geliranje, odnosno povezivanje kemijskim vezama dok se ne stvori polimer povezan na takav način da on prelazi iz viskoelastične tekućine u krutinu. Drugi način je stvaranje sustava sličnih staklu, koji se razlikuju od gelova po činjenici da oni ne mijenjaju svoja svojstva starenjem. Treći način je stvaranje filamenata ili agregata sličnih kristalima kao što su amiloidi. Ranije spomenuti stanični odjeljci bez membrane nazivaju se kondenzatima kako bi se naglasila njihova fizikalna svojstva, no ta svojstva nisu detaljno istražena. Stoga su znanstvenici s Max Planck instituta počeli karakterizirati svojstva proteinskih nakupina, odnosno kondenzata u stanici koristeći različite metode molekularne biologije i fizike, a svoje su istraživanje objavili u časopisu Science.
Autori su pokazali da brzina difuzije proteinskih kondenzata i njihovo međusobno srastanje uvelike opada s njihovom starošću. Kako bi istražili mehanizam kojim kondenzati mijenjaju svoja svojstva tijekom vremena, autori su proučavali njihova reološka svojstva. Tako su pokazali da u ranim stadijima kondenzati imaju viskozna svojstva dok u kasnijim stadijima imaju elastična svojstva. Unatoč tim razlikama, autori nisu uočili nikakve strukturne razlike tih kondenzata. Ovakva svojstva mogu se opisati Maxwellovim fluidom s različitim vremenima relaksacije. Za Maxwellov fluid frekvencija povezivanja je dana izrazom ωC=1/τC, gdje τC predstavlja vrijeme koje je potrebno za deformaciju kapljice. Kada su vremena deformacije kraća od τC, tada kapljica ima elastična svojstva, a kad su vremena deformacije veća od τC, kapljica ima viskozna svojstva. Stoga, rezultati opisivanja reoloških svojstava pokazuju da, kako sustav stari, povećava se i vrijeme τC i svojstva kapljice prelaze iz viskoznih u elastična. Također, autori su uočili da se ovakvo starenje može usporiti povećanjem temperature ili koncentracije soli i tada kapljice duže zadržavaju viskozna svojstva. Na temelju eksperimenata, autori zaključuju da kapljice pokazuju reološka svojstva Maxwellovog fluida čije vrijeme relaksacije ovisi o starosti. No, pravi Maxwellov fluid ne stari te dostiže termodinamičku ravnotežu zbog fiksiranog vremena relaksacije, dok se vrijeme relaksacije proteinskih kondenzata povećava s vremenom. Autori navode da je takav rast vremena relaksacije, koji je ovisan o starosti, svojstvo sustava koji stvaraju staklo i materijale slične staklu te predlažu da se ovakvi proteinski kondenzati nazivaju Maxwellovim staklom.
Ovakav fizikalni opis proteinskih kondenzata, odnosno kapljica, može objasniti neka stanična svojstva. Na primjer, da se stanični odjeljci ponašaju kao gel, na djelovanje sile bi odgovorili ili elastičnim istezanjem ili pucanjem. S druge strane, ako se ponašaju kao staklo, pri djelovanju mehaničke sile počinju teći. Na taj način sustav sa svojstvima sličnim staklu djeluje kao stanični senzor mehaničkih sila te dobiva svojstva fluida jednostavnom promjenom temperature ili koncentracije soli.
Na kraju, autori zaključuju da starenje proteinskih kondenzata koje je slično staklu omogućuje stanicama da vrlo fleksibilno moduliraju mehanička svojstva staničnih odjeljaka bez membrana, istovremeno dozvoljavajući brzi odgovor na vanjske podražaje.
