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What happens when pressure is applied to protein droplets? ©R.Winter

How Eye-lens proteins gather or spread with pressure

JACS: Membraneless protein droplets may have played a role in initiating life on Earth, under harsh temperature and pressure conditions

Just like water in a humid day condenses in drops, proteins in solution can gather into droplet-like ensembles and perform biological functions. Scientists think that these biomolecular systems have played a role in initiating life, as the harsh temperature and pressure conditions of the early Earth may have prompted simple organic compounds to condense into droplets. Now, the group of RESOLV scientist Roland Winter from the TU Dortmund University sheds new light onto how pressure affects the condensation process of proteins in solution. Winter found that droplets of the eye-lens protein y-crystallin become resistant to high pressure by adding a protein stabilizer found in deep-sea fishes. The results have been published in May in the renowned Journal of the American Chemical Society (JACS).

The RESOLV scientists used a battery of microscopy and spectroscopy methods to measure the effects of pressure on y-crystallin - a protein that fills the cytoplasm of the eye lens cells. At temperatures around 4 °C, droplets of y-crystallin dissolve easily with a pressure of just 0.1 kbar. But when scientists added a protein stabilizer, called TMAO, things changed. TMAO is a compound that stabilizes protein structures under pressure, and it's highly present in organisms thriving in the deep sea. Winter's results show that TMAo can also stabilize a droplet phase up to hundreds of bars, a pressure encountered in the deep sea. "As the origin of life on Earth could have been the deep sea, our results give an insight on the possible formation of pistine cells under pre-life conditions", says Winter. Moreover, the condensation of crystallins may also be a factor in cataracts formation, a disease of often unknown causes, adds Winter.

 

3Qs to the Author - Winter

1.          What is the most exciting result about this research?

We found that particular cosolvents such as TMAO are able to significantly stabilize protein droplets under harsh pressure conditions, without the need for changing the protein sequence. This points to an adaptive advantage for deep-sea organisms with increased TMAO concentrations in their body.

2.          Why are your findings important (for science and, eventually, society)?

As life on Earth probably originated in the deep sea, pressure-dependent studies on biomolecular systems such as protein condensates questions regarding prebiotic proto-cells. Further, we learn how particular cosolutes are able to effectively stabilize dense protein solutions. One important advantage of such phase-separated structures is that their functions can be switched on and off rapidly, which bears several biotechnological applications. 

3.          How is your research related to solvation science?

Even minute changes in solvation conditions, such as by changes in ionic strength and cosolvents, can markedly affect liquid-liquid phase transitions. Within RESOLV, we are studying the combined influence of cosolutes and cell-like confinement on the partitioning, conformational dynamics, self-assembly, and activity of peptides and nucleic acids in biomolecular condensates to scrutinize the effectiveness of such membraneless compartments and to learn more about their disease-related aspects. 


additional information

Original Publication: Süleyman Cinar, Hasan Cinar, Hue Sun Chan and Roland Winter: Pressure-Sensitive and Osmolyte-Modulated Liquid–Liquid Phase Separation of Eye-Lens gamma-Crystallins, in J. Am. Chem. Soc., 2019, 141,18, 7347-7354 DOI:10.1021/jacs.8b13636

 

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Wie sich Proteintröpfchen der Augenlinse auflösen und wie sie sich stabilisieren lassen

JACS: Membranlose Proteintröpfchen haben möglicherweise eine Rolle bei der Ursprung des Lebens auf der Erde unter harten Temperatur- und Druckbedingungen gespielt.

So wie Wasser an einem feuchten Tag zu Tropfen kondensiert, können sich die Proteine in Lösung zu tropfenförmigen Ensembles zusammenschließen und biologische Funktionen erfüllen. Wissenschaftler sind der Meinung, dass diese biomolekularen Systeme eine Rolle bei der Entwicklung des Lebens gespielt haben, da die harten Temperatur- und Druckbedingungen der frühen Erde dazu geführt haben könnten, dass einfache organische Verbindungen zu Tröpfchen kondensieren. Nun wirft die Gruppe des RESOLV-Wissenschaftlers Roland Winter von der TU Dortmund ein neues Licht darauf, wie sich Druck auf den Kondensationsprozess von Proteinen in Lösung auswirkt. Winter stellte fest, dass Tröpfchen des Augenlinsenproteins y-Crystallin durch Zugabe eines in Tiefseefischen gefundenen Proteinstabilisators gegen hohen Druck resistent werden. Die Ergebnisse wurden im Mai im renommierten "Journal of the American Chemical Society (JACS)" veröffentlicht.

Mit einer Reihe von Mikroskopie- und Spektroskopiemethoden haben die RESOLV-Wissenschaftler die Auswirkungen des Drucks auf y-Crystallin gemessen - ein Protein, das das Zytoplasma der Augenlinsenzellen ausfüllt. Bei Temperaturen um 4 °C lösen sich Tröpfchen von y-Crystallin mit einem Druck von nur 0,1 kbar leicht auf. Aber als Wissenschaftler den Proteinstabilisator TMAO hinzufügten, änderten sich die Dinge. TMAO ist eine Verbindung, die Proteinstrukturen unter Druck stabilisiert und in Organismen, die in der Tiefsee gedeihen, sehr präsent ist. Die Ergebnisse von Winter zeigen, dass TMAO auch die Tröpfchenphase bis zu Hunderten von Bar stabilisieren kann, ein Druck, der in der Tiefsee herrscht. "Da der Ursprung des Lebens auf der Erde die Tiefsee gewesen sein könnte, geben unsere Ergebnisse einen Einblick in die mögliche Bildung erster zellähnlicher Strukturen unter Vorlebensbedingungen", sagt Winter. Darüber hinaus kann die Kondensation von Crystallinen auch ein Faktor für die Entstehung des Grauen Stars sein, einer Krankheit mit oft unbekannten Ursachen, ergänzt Winter.

 

3 Fragen an den Autor - Winter:

1.          Was ist das spannendste Ergebnis dieser Forschung?

Wir haben festgestellt, dass bestimmte Co-Lösungsmittel wie TMAO in der Lage sind, Proteintröpfchen, sog. Kondensate, unter harten Druckbedingungen signifikant zu stabilisieren, ohne dass die Proteinsequenz verändert werden muss. Dies deutet auf einen adaptiven Vorteil für Tiefseeorganismen mit erhöhten TMAO-Konzentrationen in der Zelle hin.

2.          Warum sind Ihre Ergebnisse wichtig (für die Wissenschaft und schließlich für die Gesellschaft)?

Da das Leben auf der Erde wahrscheinlich in der Tiefsee entstand, können druckabhängige Studien an biomolekularen Systemen wie solchen Proteinkondensaten Fragen zu präbiotischen Protozellen beantworten. Weiterhin erfahren wir, wie bestimmte co-gelöste Stoffe in der Lage sind, dichte Proteinlösungen effektiv zu stabilisieren. Ein wichtiger Vorteil solcher phasenseparierter Strukturen ist, dass ihre Funktionen schnell ein- und ausgeschaltet werden können, was mehrere interessante biotechnologische Anwendungen mit sich bringt.

3.          Wie ist Ihre Forschung mit der Solvatationsforschung verbunden?

Selbst kleinste Änderungen der Solvatationsbedingungen, wie z.B. durch Änderungen der Ionenstärke und der Co-Lösungsmittel, können die Phasenübergänge biomolekularer Systeme deutlich beeinflussen. In RESOLV untersuchen wir den kombinierten Einfluss von co-gelösten Stoffen und zellähnlicher Einschließung auf die Partitionierung, Konformationsdynamik, Selbstorganisation und Aktivität von Peptiden und Nukleinsäuren in biomolekularen Kondensaten, um die Wirksamkeit solcher membranlosen Kompartimente zu untersuchen und mehr über deren krankheitsbezogene Aspekte zu erfahren.

 

Zusätzliche Info

Original Publikation: Süleyman Cinar, Hasan Cinar, Hue Sun Chan and Roland Winter: Pressure-Sensitive and Osmolyte-Modulated Liquid–Liquid Phase Separation of Eye-Lens gamma-Crystallins, in J. Am. Chem. Soc., 2019, 141,18, 7347-7354 DOI:10.1021/jacs.8b13636

Leading actor: the solvent

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