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Intracellular lipid droplets: using computer simulations to link biophysics with cell biology

Applicant Vanni Stefano
Number 194807
Funding scheme SNSF Professorships
Research institution Département de Biologie Faculté des Sciences Université de Fribourg
Institution of higher education University of Fribourg - FR
Main discipline Biophysics
Start/End 01.01.2021 - 31.12.2022
Approved amount 800'000.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Biophysics
Physical Chemistry
Biochemistry

Keywords (8)

coarse grain simulations; surface tension; endoplasmic reticulum; computational modeling; all-atom simulations; membrane curvature; molecular dynamics; lipid droplets

Lay Summary (Italian)

Lead
Le gocce lipidiche sono il principale meccanismo attraverso il quale le cellule accumulano grassi per poter affrontare eventuali periodi di scarso apporto energetico.Al momento, però, a causa di notevoli difficoltà pratiche nelle tecniche sperimentali usate per studiarle, le proprietà' strutturali e biofisiche di queste strutture cellulari sono in larga parte oscure.Questo progetto intende sviluppare nuove tecniche computazionali per studiare le gocce lipidiche a livello molecolare e comprendere nel dettaglio i meccanismi cellulari in cui queste sono coinvolte.
Lay summary
Nel corpo umano, il grasso viene accumulato in compartimenti intracellulari altamente specializzati: le gocce lipidiche. Fino a pochi anni fa, queste gocce erano considerate serbatoi di energia pressoché inerti, ma studi recenti hanno indicato come queste strutture siano altamente dinamiche e giochino un ruolo centrale in numerosi processi cellulari, tra cui la proteolisi o la replicazione virale. Questi processi sono cruciali in molte condizioni, sia fisiologiche che patologiche, tra cui l'obesità e le malattie metaboliche.

L'obiettivo di questo progetto è di far luce sulle proprietà microscopiche delle gocce lipidiche e di chiarire il loro ruolo nella regolazione di differenti processi cellulari. A questo scopo, svilupperò nuovi e più accurati modelli computazionali per descrivere le gocce lipidiche, e studierò in dettaglio sia le loro proprietà chimiche sia la loro interazione con varie proteine.

Lo scopo finale é quello di ottenere una descrizione ad alta risoluzione di queste strutture cellulari, al fine di proporre un modello interpretativo coerente con i dati sperimentali attualmente disponibili e per progettare nuovi approcci sperimentali in vivo e in vitro per fare luce sulle basi molecolari della biologia delle gocce lipidiche e sui meccanismi patologici che le coinvolgono.

Direct link to Lay Summary Last update: 02.09.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
182881 NCCR Bio-Inspired Materials: Using Concepts from Nature to Create ‚Smart' Materials (phase II) 01.06.2018 National Centres of Competence in Research (NCCRs)
189996 METEORIC: MEmbrane TEnsion and tOR In Condensates 01.01.2020 Sinergia
163966 Intracellular lipid droplets: using computer simulations to link biophysics with cell biology 01.01.2017 SNSF Professorships

Abstract

Lipid Droplets (LD) are intracellular organelles that play a central role in lipid metabolism and cellular homeostasis. During the first phase of this SNSF Professorship, we have developed new computational approaches to investigate the unique structure of LD in silico with unprecedented accuracy. By combining these modeling approaches with in vitro and in vivo experiments, we have provided new and unexpected mechanistic insights into how the peculiar lipid composition of LD modulate important processes such as their biogenesis, budding from the endoplasmic reticulum and targeting by proteins.In this Extension, I propose to continue our investigations on LD biology through the development of new computational techniques and their integration with experimental approaches. In detail, we will focus on the mechanism through which proteins, most notably seipin, LDAF1 and Pex30, regulate LD formation and budding, and on how the phase behavior of the lipid core of LD influences its interactions with proteins and enzymes.Our unique approach will significantly push forward our current understanding of LD biology, and we will continue providing the research community with unprecedented mechanistic insights into molecular processes taking place on LD. As phase behavior phenomena, such as liquid-liquid phase separation, become more and more relevant in cellular biology, we foresee that the molecular mechanisms discovered during our investigation of LD processes could also emerge as general principles for membrane-less liquid condensates in the cell.
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