miniatura|En aquesta seqüència d'imatges es pot observar com s'uneixen dos gotetes proteiques que inicialment estaven separades per a acabar formant una única goteta. Aquest mateix procés és el que té lloc a les cèl·lules quan dos gotetes estan en contacte al citosol. El terme goteta proteica (en anglès protein droplet) s'utilitza per denominar agregats proteics presents en moltes cèl·lules i formats, sembla ser, a causa dels dominis de baixa complexitat d'algunes proteïnes. Aquests provoquen un tipus de canvi d'estat anomenat separació de fase líquid-líquid i l'aglomeració de proteïnes passa a comportar-se com un líquid (anomenat liquid droplet). A tall d'exemple, seria un comportament similar al d'una gota d'oli en aigua, o a la separació de fases de l'oli i el vinagre que ocorre espontàniament quan es deixa en repòs una emulsió de tots dos (vinagreta). Les gotetes proteiques ja s'havien observat fa anys i ja se'n coneixia l'existència, però darrerament han començat a sorgir articles i estudis que exposen la funció biològica de les gotetes proteiques tant en aspectes fisiològics dins la cèl·lula com en les seves implicacions en diferents patologies, moltes d'aquestes qualitats patològiques eren gotetesdesconegudes fins al moment. Aquestes estructures abunden en les neurones i, per això, s'està estudiant el seu paper en moltes neuropatologies i malalties relacionades amb l'envelliment cel·lular.
Biogènesi i estructura La compartimentalització en les cèl·lula eucariotes és essencial per a coordinar les diferents reaccions bioquímiques en el medi intracel·lular. En la majoria dels casos s'aconsegueix per mitjà de membranes, però també hi ha un gran nombre d'estructures (nuclèol, centrosomes, paraspeckles, grànuls d'ARN, grànuls d'estrès, cossos P o cossos de Cajal) que no tenen una frontera definida, però que tot i així existeixen com a fases diferenciades del plasma cel·lular o del nuclear. La formació d'aquests "orgànuls sense membrana" o condensats biomoleculars –que generalment tenen un cert comportament fluid– s'ha relacionat cada cop més amb la separació de fase líquid-líquid, i també és el cas en la formació dels condensats de proteïnes que comunament anomenem gotes proteiques.
Ara bé, no totes les proteïnes poden organitzar-se en aquestes gotes, ja que el requisit principal per a la separació de fase és tenir alguna propietat estructural que confereixi un caràcter amfipàtic a la molècula. La immensa part de les proteïnes capaces que s'han observat experimentalment fins al moment són del grup de les intrínsecament desestructurades (o bé tenen regions desordenades), i dins d'aquestes la majoria són ribonucleoproteïnes (RNA-binding proteins ).
Exemples: TDP-43, alfa-sinucleïna, cGAS, FUS, tau, hnRNPAs, sinapsina, etc.
Proteïnes intrínsecament desestructurades Un dels paradigmes més estables en la bioquímica, fins no fa gaire, era que l'estructura tridimensional d'una proteïna determina la seva funció. No obstant això, en molts casos, es trobaven parts de les proteïnes que no tenien una estructura discernible, i fins i tot proteïnes senceres sense estructura però completament funcionals. Finalment es va establir el concepte de proteïna intrínsecament desordenada (IDP, de l'anglès intrinsically disorded protein), i en l'actualitat es calcula que un terç de les proteïnes humanes són desestructurades o bé tenen segments desestructurats significatius (IDR, intrinsically disorded regions).
esquerra|miniatura|Interaccions que poden donar-se entre les proteïnes de les gotes en la separació de fase (o amb d'altres molècules que pugui haver a l'interior) segons la seva seqüència d'aminoàcids i conformació. Les IDP tenen propietats biofísiques i bioquímiques diferenciades de la resta. No tenen un nucli hidrofòbic, i en canvi tenen una gran densitat d'aminoàcids amb càrrega (Lys, Arg, Glu), a més de residus de prolina que tendeixen a desfer estructures ordenades. Però el més significatiu és la presència generalitzada de segments compostos a base d'un o pocs aminoàcids, que s'han denominat dominis de baixa complexitat (LCD, low complexity domains) o fins i tot prion-like domains, per la seva similitud amb les proteïnes priòniques pel que fa a l'auto-propagació de l'agregació. L'avantatge principal de les IDPs és que poden adoptar múltiples conformacions i que, per tant, també són diversos els possibles contactes que poden establir. Els aminoàcids amb càrrega, els grups aromàtics –amb orbitals π–, les regions de baixa complexitat i la presència afegida d'ARN afavoreixen especialment la separació de fase, però també solen haver-hi interaccions entre els dominis amb estructura secundària (alfa o beta).
Definició de goteta proteica Com a referència bàsica, s'ha definit experimentalment que es poden considerar gotetes proteiques les agregacions de proteïnes que compleixin els següents requisits: Forma esfèricaCapacitat de difusióComportament fluidEn condensar-se les proteïnes, tendeixen a ocupar la mínima àrea superficial per volum: l'única estructura que ho permet és l'esfera.Una gota proteica ha de permetre el moviment de les proteïnes al seu interior i, generalment, també l'entrada i sortida d'altres molècules (àcids nucleics o proteïnes associades)Dues gotes pròximes poden fusionar-se formant-ne una de nova. Davant d'un flux extern es desplacen i deformen com un fluid qualsevol.Imatges de microscopia electrònicaRedistribució ràpida després del blanquejament (FRAP)Gravacions «in vivo» del moviment de les gotes
Factors estimulants o inhibidors L'interès biològic d'aquestes gotes es deu principalment al fet que la separació de fase líquid-líquid és un procés reversible, i que la seva formació o desmantellament pugui produir-se com a resposta a processos de senyalització o bé quan es donen unes condicions determinades. D'aquesta manera, les proteïnes poden organitzar-se o bé desorganitzar-se segons la situació ho requereixi. Tot i que no són universals, alguns dels factors que poden regular la separació de fase de proteïnes són:
La concentració: És el factor regulador principal. Condicionen la formació de gotes tant la concentració de la proteïna principal com la concentració de molècules específiques en cada cas que modulin la seva funció. Per exemple, l'alta concentració de tubulina estimula la formació de gotes de la proteïna tau durant l'assemblatge del fus mitòtic. Per altra banda, un medi congestionat qualsevol –per addició de sals o polisacàrids, per exemple– també en pot accelerar la formació.
Les situacions d'estrès: L'estrès oxidatiu, les variacions de pH, l'estrès per calor i d'altres alteracions sobtades acostumen a induir la ràpida formació de gotes proteiques, de manera que es pot observar amb claredat tant in vitro com in vivo l'aparició de les gotetes en la cèl·lula quan s'aplica qualsevol d'aquests canvis (veure vídeos). >
Les mutacions: L'alteració de la seqüència d'aminoàcids de les proteïnes en qüestió pot condicionar en gran manera la funcionalitat de les gotes proteiques i dificultar la seva formació o bé la seva desagregació. També poden ser un factor regulador les mutacions en determinades molècules que contribueixen a modificar l'estat de les proteïnes (transportines nuclears, desagregases, ubiquitina-ligases, etc.).
Lenvelliment cel·lular: S'ha pogut observar que, progressivament, les gotes proteiques perden la capacitat de difusió, el comportament fluid i tendeixen a formar agregats amb interaccions molt més estables. Amb l'edat –i encara de manera més accelerada si hi ha mutacions– passa a tenir lloc una transició de fase líquid-sòlid (o líquid-gel) que ja no és reversible. Aquestes estructures s'acumulen i acaben provocant el malfuncionament de la cèl·lula i la degeneració del teixit.
Aquests dos últim factors són possiblement els més rellevants, ja signifiquen que el pas del temps i la predisposició genètica fan que puguin aparèixer agregats sòlids, fibres o gels altament perjudicials per a la salut. Per això és de gran interès trobar els mecanismes a nivell molecular que puguin evitar, alentir o pal·liar aquest efecte degeneratiu –de moment comú a diverses malalties incurables– inhibint la "transició de fase aberrant" que acumula irreversiblement aquests agregats sòlids.
S'ha determinat experimentalment que modificacions puntuals com la metilació dels residus d'arginina o la manca de fosforilació poden inhibir l'agregació de certes proteïnes. S'està estudiant també l'acció de certs fàrmacs per a induir l'autofàgia i el paper de les carioferines per a descongestionar les cèl·lules d'aquests tòxics.
Implicacions biològiques El descobriment de les gotetes proteiques ha donat lloc a molts altres estudis que intenten trobar explicacions biològiques a alguns processos dels quals abans no es coneixia amb seguretat el mecanisme. D'aquesta manera, s'han fet estudis relacionant la formació de gotetes amb l'ARN, la seva implicació en les neurones i més concretament en el procés de sinapsi, o el seu paper en la resposta immunitària.
ARN En les cèl·lules, existeixen les ribonucleoproteïnes (RNP) que són molècules formades per proteïnes i àcids nucleics, en aquest cas ARN. Les RNP contenen uns fragments sense estructura definida o regions de baixa complexitat que promouen la separació de fases i, per tant, la formació de gotetes proteiques (coacervació). Tanmateix, són els dominis d'unió amb l'ARN de les ribonucleoproteïnes els que estimulen el procés. La raó és que l'ARN facilita la interacció entre proteïnes induint la formació d'aquestes estructures. A més, la coacervació de les ribonucleoproteïnes ve relacionada amb un major contingut d'aminoàcids aromàtics i de les interaccions electroestàtiques.
La propietat de les proteïnes de comportar-se com un liquid està relacionada, sembla ser, amb la formació dels grànuls de RNP i que, alhora, ve determinada per l'ARN que forma part d'aquestes proteïnes. Els grànuls de RNP estan implicats en la regulació post-transcripcional i donen lloc a un conjunt de compartiments cel·lulars sense membrana, dins del qual trobaríem estructures com els grànuls d'estrès o els cossos P (ja mencionats anteriorment en l'apartat de biogènesi de les gotetes proteiques). Al mateix temps, però, la formació de gotetes de RNP també augmenta la possibilitat que aquests acabin adoptant una estructura més estable (pateixin un procés de maduració), és a dir, acabin donant lloc a estructures fibril·lars. Aquest tipus d'estructures estan molt relacionades amb patologies neurodegeneratives.
Gotetes neuronals miniatura|Aquesta reconstrucció en tres dimensions d'una neurona mostra com les vesícules sinàptiques s'uneixen a l'axó. En color lila es pot observar l'espai sinàptic, en verd l'axó de la neurona i en blau les vesícules que contenen els neurotransmissors al seu interior. Per a entendre quina és la importància biològica de les gotetes proteiques a les neurones primer cal recordar uns conceptes bàsics sobre la sinapsi. A l'axó de les neurones es troben les anomenades vesícules sinàptiques, que emmagatzemen les molècules encarregades de transmetre l'impuls elèctric de neurona en neurona (els anomenats neurotransmissors). Davant d'un estímul, les vesícules deixen anar els neurotransmissors per a poder transmetre aquest impuls a la resta de cèl·lules. Tenint en compte la importància d'aquest procés és necessari que les neurones tinguin sempre vesícules sinàptiques disponibles, ja que si no n'hi haguessin no es podria transmetre l'impuls nerviós i les conseqüències serien molt greus. Però la pregunta que durant molt de temps s'han fet els científics és: com aconsegueix la neurona tenir sempre vesícules sinàptiques al seu axó? I com a resposta apareixen les gotetes proteiques.