It is now recognised that cells can form membraneless organelles via liquid-liquid phase separation (LLPS) of proteins and nucleic acids. Most of these proteins contain amino acid chains defined as low complexity domains (LCDs). In this work, we develop synthetic organelles by expressing chimera proteins consisting of an enzymatically active globular domain and LCDs, which encode dynamic controlled self-assembly behaviours. We demonstrate the possibility to introduce stimuli-responsive behaviours by reversibly assembling and disassembling the synthetic organelles by varying pH and ionic strength. Furthermore, we show the possibility to exploit different interactions between different LCDs and obtain multi-emulsion systems. We further demonstrate that our synthetic organelles can recruit proteins with molecular weight smaller than a critical cut-off, potentially modifying their activity and stability. We illustrate this concept by internalising the peptide A-Beta 42, the peptide strongly associated with Alzheimer’s disease, within our model synthetic compartments. We show that, in contrast with free peptides in solutions, the peptides internalised in the synthetic organelles remain in the monomeric form and do not form fibrillar amyloids. Overall, our results show the potential of our synthetic organelles as dynamic structures towards not only micro-reactors but also “jails” capable to sequester and protect biomolecules.

È ora riconosciuto che le cellule possono formare organelli senza membrana tramite separazione di fase liquido-liquido (LLPS) di proteine e acidi nucleici. La maggior parte di queste proteine contiene catene di amminoacidi definite low complexity domains (LCDs). In questo lavoro, abbiamo sviluppato organelli sintetici esprimendo proteine chimera costituite da un dominio globulare enzimaticamente attivo e LCD, che codificano il controllo dinamico del comportamento di autoassemblaggio. Assemblando e disassemblando in maniera reversibile gli organelli sintetici, abbiamo dimostrato la possibilità di indurre comportamenti di risposta a stimoli esterni attraverso variazioni di pH e forza ionica. Inoltre, abbiamo mostrato la possibilità di sfruttare diverse interazioni tra diversi LCD e ottenere sistemi multi-emulsione. Abbiamo dimostrato inoltre che i nostri organelli sintetici possono reclutare proteine con peso molecolare più piccolo di un limite critico, modificandone potenzialmente l’attività e la stabilità. Abbiamo illustrato questo concetto internalizzando il peptide A-Beta 42, peptide fortemente associato alla malattia di Alzheimer, all’interno del nostro modello di compartimenti sintetici. Abbiamo mostrato che, in contrasto con i peptidi liberi in soluzione, i peptidi internalizzati negli organelli sintetici rimangono nella forma monomerica e non formano amiloidi fibrillari. Nel complesso, i nostri risultati mostrano il potenziale dei nostri organelli sintetici come strutture dinamiche verso non solo micro-reattori ma anche "carceri" in grado di sequestrare e proteggere le biomolecole.

Responsive multiphase materials for production of synthetic microcompartments

ZUCCARINI, REMO
2017/2018

Abstract

It is now recognised that cells can form membraneless organelles via liquid-liquid phase separation (LLPS) of proteins and nucleic acids. Most of these proteins contain amino acid chains defined as low complexity domains (LCDs). In this work, we develop synthetic organelles by expressing chimera proteins consisting of an enzymatically active globular domain and LCDs, which encode dynamic controlled self-assembly behaviours. We demonstrate the possibility to introduce stimuli-responsive behaviours by reversibly assembling and disassembling the synthetic organelles by varying pH and ionic strength. Furthermore, we show the possibility to exploit different interactions between different LCDs and obtain multi-emulsion systems. We further demonstrate that our synthetic organelles can recruit proteins with molecular weight smaller than a critical cut-off, potentially modifying their activity and stability. We illustrate this concept by internalising the peptide A-Beta 42, the peptide strongly associated with Alzheimer’s disease, within our model synthetic compartments. We show that, in contrast with free peptides in solutions, the peptides internalised in the synthetic organelles remain in the monomeric form and do not form fibrillar amyloids. Overall, our results show the potential of our synthetic organelles as dynamic structures towards not only micro-reactors but also “jails” capable to sequester and protect biomolecules.
AROSIO, PAOLO
SPONCHIONI, MATTIA
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
16-apr-2019
2017/2018
È ora riconosciuto che le cellule possono formare organelli senza membrana tramite separazione di fase liquido-liquido (LLPS) di proteine e acidi nucleici. La maggior parte di queste proteine contiene catene di amminoacidi definite low complexity domains (LCDs). In questo lavoro, abbiamo sviluppato organelli sintetici esprimendo proteine chimera costituite da un dominio globulare enzimaticamente attivo e LCD, che codificano il controllo dinamico del comportamento di autoassemblaggio. Assemblando e disassemblando in maniera reversibile gli organelli sintetici, abbiamo dimostrato la possibilità di indurre comportamenti di risposta a stimoli esterni attraverso variazioni di pH e forza ionica. Inoltre, abbiamo mostrato la possibilità di sfruttare diverse interazioni tra diversi LCD e ottenere sistemi multi-emulsione. Abbiamo dimostrato inoltre che i nostri organelli sintetici possono reclutare proteine con peso molecolare più piccolo di un limite critico, modificandone potenzialmente l’attività e la stabilità. Abbiamo illustrato questo concetto internalizzando il peptide A-Beta 42, peptide fortemente associato alla malattia di Alzheimer, all’interno del nostro modello di compartimenti sintetici. Abbiamo mostrato che, in contrasto con i peptidi liberi in soluzione, i peptidi internalizzati negli organelli sintetici rimangono nella forma monomerica e non formano amiloidi fibrillari. Nel complesso, i nostri risultati mostrano il potenziale dei nostri organelli sintetici come strutture dinamiche verso non solo micro-reattori ma anche "carceri" in grado di sequestrare e proteggere le biomolecole.
Tesi di laurea Magistrale
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Descrizione: Master Thesis in Biomedical Engineering
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/146319