Synthetic compartments for spatiotemporal control of chemical reactions

It is well-known that cells are able to compartmentalize their internal components through organelles, either membrane-bound or membraneless. Membraneless organelles, in particular, form via liquid-liquid separation of proteins and nucleic acids. They perform several functions, such as the co-localization of biochemical reactions and the recruitment of specific biomolecules, in response to external stimuli like pH, temperature, ionic strength and post translational modifications. A class of intrinsically disordered proteins has been found in all these organelles. They present unstructured chains enriched in specific amino acids that are called “low complexity domains” (LCDs), which encode many different intermolecular interactions, whose interplay exhibit a determinant role in the formation of these molecular condensates. The aim of this project is the development of a synthetic model that can replicate this biological phenomenon in a simplified way, in order to better understand the underlying mechanisms. The approach is based on the reduction of the complexity of amino acid sequences through artificial species that present a predominant single type of intermolecular interactions. The knowledge about the contribution of these forces would offer new insights that could be applied to the study of the pathogenesis in degenerative diseases that involves protein condensation and aggregation. The bioinspired synthetic compartments were designed to mimic typical properties of membraneless organelles. They demonstrated to undergo liquid-liquid phase separation in response to stimuli, such as changes in temperature or salt concentration, offering high reproducibility, easy production, and control over the molecular structure. Multiphase immiscibility and selective recruitment of different kinds of solutes, including small dyes, dextran and proteins, were tested. In the end, different model reactions were investigated to confirm the possibility to co-localize reagents, and, in turn, to spatiotemporally control chemical reactions into these synthetic compartments. These artificial organelles may be adopted as advanced microreactors in countless applications.

È noto che le cellule siano in grado di compartimentalizzare i loro costituenti interni attraverso organelli, limitati da una membrana o senza una barriera fisica (membraneless organelles). Gli organelli che non presentano membrana, in particolare, si formano per separazione di fase liquido-liquido di proteine ed acidi nucleici. Svolgono diverse funzioni, tra cui la colocalizzazione di reazioni biochimiche e il reclutamento di specifiche biomolecole, in risposta a uno stimolo esterno di varia natura (pH, temperatura, forza ionica, modificazioni post traduzionali. Un gruppo di proteine intrinsecamente disordinate è stato ritrovato in tutti questi organelli. Esse presentano catene non strutturate a livello supramolecolare e composte da specifici amminoacidi, chiamate “low complexity domains” (LCD), che codificano per le varie interazioni intermolecolari. La cooperazione di queste ultime gioca un ruolo determinante nella formazione di questi condensati molecolari. Lo scopo del progetto è lo sviluppo di un modello sintetico che possa replicare questo fenomeno biologico in modo semplificato, così da comprendere meglio i meccanismi sottesi. L’approccio si basa sulla riduzione della complessità delle sequenze di amminoacidi attraverso specie artificiali che presentano un singolo tipo predominante di interazione intermolecolare. Una maggiore conoscenza riguardo al contributo singolo di queste forze potrebbe offrire nuove intuizioni applicabili allo studio della patogenesi di malattie degenerative che implicano la condensazione e l’aggregazione di proteine. I compartimenti sintetici sono stati progettati per mimare tipiche proprietà degli organelli senza membrana. Hanno dimostrato di seguire una separazione di fase liquido-liquido in risposta a stimoli come cambi di temperatura o concentrazione di sale, garantendo grande riproducibilità, semplice produzione, e controllo sulla struttura molecolare. L’immiscibilità multifase e il reclutamento selettivo di diversi tipi di soluti, tra cui piccoli dye, destrani e proteine, sono stati testati. Inoltre, differenti reazioni modello sono state investigate per confermare la possibilità di colocalizzare reagenti e, di conseguenza, controllare reazioni chimiche in modo spaziotemporale all’interno di questi compartimenti sintetici. Questi organelli artificiali potrebbero essere impiegati come avanzati microreattori in innumerevoli applicazioni.