En physique, un système composé de deux substances peut être modélisé conformément à la théorie classique des mélanges, qui considère la fraction correspondant à chaque constituant et les interactions entre les constituants. Les exemples incluent la coexistence de phases haute et basse densité dans l'eau surfondue et la coexistence de flaques métalliques dans une matrice isolante dans la transition métal-isolant Mott.
Motivés par ce type de considération, des chercheurs de l'Université d'État de São Paulo (UNESP) à Rio Claro, au Brésil, ont utilisé des concepts de physique de la matière condensée pour décrire la compartimentation des protéines dans les cellules et ont proposé une phase cellulaire de type Griffiths en analogie directe avec les Griffiths magnétiques canoniques. phase. Un article sur l'étude est publié dans la revue Héliyon. Le dernier auteur et PI est Mariano de Souzaprofesseur à l'Institut des Géosciences et Sciences Exactes (IGCE-UNESP), et le premier auteur est Lucas Squillante, doctorant dans la même université.
Dans la phase magnétique de Griffiths, des régions magnétisées ou non magnétisées émergent respectivement dans des matrices paramagnétiques ou ferromagnétiques, entraînant une réduction significative de la dynamique des systèmes. Ces « régions rares » émergent de manière aléatoire. Dans des travaux antérieurs, nous avons exploré la phase électronique de type Griffiths, à la limite de la transition métal-isolant de Mott. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur les gouttelettes de protéines formées à l’intérieur des cellules en tant que « régions rares », en analogie directe avec la phase magnétique de Griffiths. »
Mariano de Souza, professeur, Institut des géosciences et des sciences exactes, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo
La production de protéines à l’intérieur d’une cellule peut atteindre un seuil qui donne lieu à une séparation de phase liquide-liquide et à un compartimentage des protéines sous forme de gouttelettes. « En utilisant des outils de thermodynamique tels que le paramètre Grüneisen, le modèle Flory-Huggins et le modèle Avramov-Casalini, nous montrons que la dynamique cellulaire est considérablement réduite au voisinage de la ligne binodale qui détermine la séparation de phase, et également pour un rapport protéine/solvant équivalent. concentration, donnant lieu à une phase cellulaire de type Griffiths », a déclaré Souza.
L'étude propose également que la phase cellulaire de type Griffiths soit associée à l'origine de la vie et à l'émergence d'organismes primordiaux, conformément à la théorie classique formulée par le biologiste et biochimiste russe Aleksandr Oparin (1894-1980) dans les années 1930, puisque seulement les coacervats (gouttelettes de molécules organiques regroupées dans une solution aqueuse) à dynamique lente ont survécu et évolué.
« Cela pourrait à son tour être lié au rôle fondamental joué par l'homochiralité dans l'évolution de la vie », a déclaré Souza. La chiralité est la propriété d'un objet ou d'une molécule qui signifie qu'il ne peut pas être superposé à son image dans un miroir. Les mains humaines sont chirales, par exemple. L'homochiralité est la prédominance d'une chiralité unique dans les molécules d'un système biologique.
Les chercheurs démontrent dans l’étude qu’une augmentation du temps de diffusion des protéines se produit de manière concomitante avec une réduction des fluctuations stochastiques dans la cellule, ce qui est essentiel pour optimiser l’expression des gènes. L’étude propose une approche alternative pour étudier la dynamique de la compartimentation des protéines, qui pourrait également s’appliquer à d’autres systèmes biologiques.
« Le rôle fondamental joué par la séparation de phase liquide-liquide dans le développement et le traitement des maladies est largement discuté dans la littérature, notamment en ce qui concerne la tumorigenèse. L'idée est que les protéines codées par les gènes associés à de telles maladies peuvent être compartimentées et que cela affecte leur rôle dans la mutation cellulaire », a déclaré Marcos Minicucci, professeur de médecine clinique à l'UNESP Botucatu et co-auteur de l'article.
D’autres exemples du rôle joué par la séparation de phases incluent la cataracte (où la séparation de phases dans la rétine peut provoquer une déficience visuelle), les maladies neurodégénératives et même le COVID-19 (où la coacervation de la protéine N du SRAS-CoV-2 peut supprimer la réponse immunitaire innée. au virus). Il a récemment été rapporté que la séparation de phases associée à la protéine 1 supprimant la ferroptose (FSP1) pouvait être utilisée dans une intervention thérapeutique efficace contre le cancer.
« La séparation des phases liquide-liquide affecte chaque maladie différemment, et la formation de gouttelettes de protéines peut être bénéfique ou non. La phase cellulaire de type Griffiths que nous proposons peut avoir un impact significatif sur la gestion et même le traitement des maladies », a déclaré Minicucci. L'étude menée par le groupe de Souza démontre l'importance de l'interdisciplinarité dans les projets de sciences fondamentales.
