Collagen, the protein that builds skin, bones, tendons and organs, exists inside cells as a liquid-like droplet rather than the long, rigid rod seen in textbooks over the last half century, according to a new study from the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona.

The finding, published in the Journal of Cell Biology, is the first direct observation of how the most abundant protein in the human body, which accounts for around a third of total protein mass, exists naturally inside living cells.

“Inside a cell, collagens are not rigid molecules as one had assumed. They are in fact very pliable, taking a liquid condensate form much like oil in a drop of water,” explains ICREA Research Professor Vivek Malhotra, senior author of the study at the CRG in Barcelona.

The liquid-like state may serve a protective function. Collagen’s job, once outside the cell, is to assemble into the rigid fibres that hold tissues together. The same process inside the cell would be catastrophic. “This is another way by which cells ensure that collagens probably never become fibrous inside the cell,” says Malhotra. “Because if it were to become fibrous, it would kill the cell.”

The finding has implications for how the body exports its primary structural building block from production sites inside cells. The researchers suggest cells avoid using conventional receptors or vesicles, the route established by work carried out in the 1980s and 1990s and recognised with a Nobel prize in 2013.

Instead, they propose a “liquid extrusion” hypothesis, whereby collagens move from their site of synthesis to the next compartment of the secretory pathway through capillary action. The theory has important implications for wound healing, fibrosis and cancer.

A sixty-year puzzle in cell biology

Collagen is built inside a cellular compartment called the endoplasmic reticulum (ER). The study specifically looked at a precursor form inside cells called procollagen 1, which matures into type 1 collagen. Type 1 collagen is the most common type of collagen, consisting of around 90% of the body’s total collagen.

Under a microscope, purified collagen looks like a long, rigid, rod that can be up to 400 nanometres long. However, vesicles, the sacs which transport proteins out from their site of synthesis to the cell’s exterior, are only 60 to 90 nanometres in diameter.

Since collagen’s structure was first described more than half a century ago, the field of cell biology has asked how such large molecules can be transported out of cells. The new answer is that, inside the cell, collagen is not yet a rod. The canonical picture of the protein describes collagen only after it has left cells and assembled into the fibres that hold tissues together.

Using high-resolution live-cell imaging of human hepatic stellate cells, the liver cells that produce collagen and drive scarring in liver fibrosis, the team showed that collagen inside the cell gathers into small droplets that merge, split and exchange material with their surroundings.

These are all signatures of a condensate, compartments of proteins that become so concentrated they disassociate from their surroundings, like droplets of oil in water.

According to Soumya Bhattacharyya, first author of the study, most of cell biology has focused on condensates in the nucleus and on stress granules in the cytosol. “We’re just beginning to understand condensates inside the endoplasmic reticulum,” says Bhattacharyya.

The discovery: “I had no idea where it would lead to”

The findings emerged from microscopy images taken by Dr. Soumya Bhattacharyya, a postdoctoral researcher in Vivek Malhotra’s lab, in May 2024. Bhattacharyya was using the liver cell system as a tool to study what happens when collagen production is increased in fibrotic cells.

“I had no idea what it would lead to. But when we took the samples, what struck me were these bright spherical structures you can’t miss,” recalls Bhattacharyya.

The initial reaction in the laboratory to a finding that challenges cell biology dogma was sceptical. “I thought it must be an artefact,” says Malhotra.

In the months that followed, the team had to settle whether the protein clumping they observed inside the endoplasmic reticulum was junk. Cells have an elaborate system for detecting badly folded proteins and either refold them or mark them for destruction, centred on a chaperone called BiP.

If the collagen droplets were heaps of misfolded protein, the researchers would detect high levels of BiP. The droplets contained, instead, a mixture of helper proteins including chaperones that specifically recognise properly folded collagen.

The role of TANGO1

The study also clarifies the function of TANGO1, a protein discovered by the Malhotra lab roughly two decades ago and known to be required for collagen export. When the researchers depleted TANGO1, the collagen droplets still formed but were no longer positioned at the ER exit sites where cargo leaves the compartment. Collagen secretion dropped accordingly.

The discovery suggests TANGO1 acts as a mooring point that holds the droplet at the export site rather than as a conventional cargo receptor. The authors propose that collagen then leaves the cell by a physical process called wetting, in which the liquid droplet attaches to and flows through the exit site.

Malhotra offers two possible physical mechanisms for this transfer. “Imagine you have a rubber ball with a nozzle, filled with liquid. You squeeze it, you force the liquid to come out of this little orifice. Is that the mechanism? Or is the liquid rising by capillary forces, just like nutrients flow up against gravity in plants by capillary action?”

The proposed liquid extrusion mechanism remains a model, but the next experiments in order to obtain direct visualisation of the export mechanism are already underway. The team also plan to develop a mouse model, in collaboration with external partners, to confirm the findings in living tissue.

Implications for fibrosis and cancer

If the model is confirmed, the work has implications for several pathological conditions in which excess collagen secretion plays a central role, including liver, lung and skin fibrosis, as well as for targeting the dense matrix that tumours use to shield themselves from chemotherapy and the immune system.

“One of the major problems in cancer is that the cells secrete so many collagens and other proteins out into the extra cellular matrix that they hide in a shell made of these components and become chemo- and immuno-refractory, meaning they are not seen by the chemical therapeutics or by the immune system,” Malhotra says.

“People are trying to find ways to break this tissue cement and our study could help inform those strategies,” he adds.

The proposed collagen secretion model suggests either degrading TANGO1 to prevent cargo from being captured at the exit site or dissolving the condensate itself to prevent the cargo from being properly organised in the first place, could be new strategies worth exploring.

The study was led by Soumya Bhattacharyya and Vivek Malhotra at the CRG, with contributions from Jose Wojnacki and Nathalie Brouwers and technical support from the CRG Advanced Light Microscopy Unit and CRG/UPF Flow Cytometry Unit. The study was funded by the Spanish Ministry of Science and Innovation, the Generalitat de Catalunya and the European Research Council.

EN CASTELLANO

El colágeno existe como un condensado con forma líquida dentro de las células

El colágeno, la proteína que da forma a la piel, los huesos, los tendones y los órganos, existe en el interior de las células en forma de gota líquida, y no como la varilla larga y rígida que muestran los libros de texto desde hace más de medio siglo. Así lo concluye un nuevo estudio del Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona.

El hallazgo, publicado en la revista Journal of Cell Biology, constituye la primera observación directa sobre cómo se organiza de manera natural la proteína más abundante del cuerpo humano, responsable de alrededor de un tercio de la masa proteica total, dentro de las células vivas.

"Dentro de la célula, las moléculas de colágeno no son rígidas, como se había asumido. En realidad, son muy maleables y adoptan una forma de condensado líquido, muy parecido a una gota de aceite suspendida en agua", explica el profesor de investigación ICREA Vivek Malhotra, autor principal del estudio en el CRG.

Este estado líquido podría cumplir una función protectora. Una vez fuera de la célula, el colágeno se ensambla en las fibras rígidas que sostienen los tejidos. Que ese mismo proceso ocurriera dentro de la célula sería catastrófico. "Es otra de las formas que tienen las células de asegurarse de que las moléculas de colágeno nunca se vuelvan fibrosas en su interior", señala Malhotra. "Porque, si lo hicieran, la célula moriría".

El hallazgo tiene implicaciones para entender cómo exportamos nuestro principal material estructural desde el lugar donde se fabrica. El equipo sugiere que las células evitan recurrir a los receptores o vesículas convencionales, la ruta clásica descrita en los años ochenta y noventa y reconocida con el Premio Nobel en 2013.

En su lugar, el equipo propone la hipótesis de la "extrusión líquida", según la cual el colágeno se desplazaría desde su lugar de síntesis hasta el siguiente compartimento de la vía secretora gracias a la capilaridad. La teoría tiene implicaciones relevantes para la cicatrización, la fibrosis y el cáncer.

Un enigma de sesenta años de la biología celular

El colágeno se fabrica dentro de un compartimento celular llamado retículo endoplásmico. En concreto, el estudio analizó una forma precursora denominada procolágeno 1, que madura hasta convertirse en colágeno tipo 1, el más común del organismo y aproximadamente el 90% del total de colágeno corporal.

Bajo el microscopio, el colágeno purificado se muestra como una varilla larga y rígida que puede alcanzar los 400 nanómetros de longitud. Las vesículas, las pequeñas estructuras encargadas de transportar las proteínas desde su lugar de síntesis hacia el exterior celular, miden, sin embargo, entre 60 y 90 nanómetros de diámetro.

Desde que se describió la estructura del colágeno hace más de medio siglo, la biología celular se ha preguntado cómo unas moléculas tan grandes pueden ser transportadas fuera de la célula. La nueva respuesta es que, dentro de la célula, el colágeno aún no es una varilla. La imagen canónica de la proteína describe el colágeno cuando ya ha salido de la célula y se ha ensamblado en las fibras que mantienen unidos los tejidos.

Mediante imágenes de alta resolución de células vivas, el equipo trabajó con células estrelladas hepáticas humanas, las células del hígado encargadas de producir colágeno y responsables de las cicatrices en la fibrosis hepática. Las imágenes muestran que, dentro de la célula, el colágeno se agrupa en pequeñas gotas que se fusionan, se dividen e intercambian material con su entorno.

Todas estas señales son propias de un condensado. Los condensados son compartimentos de proteínas que alcanzan tal concentración que se separan de su entorno, como gotas de aceite en el agua.

Según Soumya Bhattacharyya, primer autor del estudio, la mayor parte de la biología celular se ha centrado hasta ahora en condensados que aparecen en el núcleo o en gránulos de estrés en el citosol. "Apenas estamos empezando a comprender los condensados dentro del retículo endoplásmico", señala Bhattacharyya.

El descubrimiento: "No tenía ni idea de adónde nos iba a llevar"

Los hallazgos surgieron de imágenes de microscopía tomadas por el doctor Bhattacharyya, investigador postdoctoral del laboratorio de Vivek Malhotra, en mayo de 2024. Bhattacharyya utilizaba el sistema de células hepáticas como herramienta para estudiar qué ocurre cuando aumenta la producción de colágeno en células fibróticas.

"No tenía ni idea de adónde nos iba a llevar. Pero, cuando observamos las muestras, lo que me llamó la atención fueron unas estructuras esféricas brillantes que era imposible pasar por alto", recuerda Bhattacharyya.

La reacción inicial en el laboratorio ante un hallazgo que desafiaba un dogma de la biología celular fue de escepticismo. "Pensé que tenía que ser un artefacto", reconoce Malhotra.

En los meses siguientes, el equipo tuvo que determinar si esos cúmulos de proteína observados dentro del retículo endoplásmico eran simple desecho celular. Las células disponen de un sofisticado sistema para detectar proteínas mal plegadas y, o bien las repliegan correctamente, o bien las marcan para su destrucción. Este sistema se articula en torno a una chaperona llamada BiP.

Si las gotas de colágeno fueran simples acumulaciones de proteína mal plegada, el equipo detectaría niveles altos de BiP. En su lugar, las gotas contenían una mezcla de proteínas auxiliares, entre ellas chaperonas que reconocen específicamente al colágeno correctamente plegado.

El papel de TANGO1

El estudio también aclara la función de TANGO1, una proteína descubierta hace aproximadamente dos décadas por el laboratorio de Malhotra y de la que se sabe que es necesaria para la exportación del colágeno. Cuando el equipo redujo sus niveles, las gotas de colágeno seguían formándose, pero ya no se situaban en los lugares de salida del retículo endoplásmico por los que la carga abandona el compartimento. La secreción de colágeno cayó en consecuencia.

El hallazgo sugiere que TANGO1 actúa como un punto de amarre que sujeta la gota en el lugar de salida, más que como un receptor de carga convencional. El equipo propone que el colágeno abandona después la célula mediante un proceso físico denominado wetting (humectación), por el cual la gota líquida se adhiere al lugar de salida y fluye a través de él.

Malhotra plantea dos posibles mecanismos físicos para esta transferencia. "Imagine una pelota llena de líquido, con una boquilla. Si la estruja, fuerza al líquido a salir por ese pequeño orificio. ¿Es ese el mecanismo? ¿O es más bien que el líquido asciende por fuerzas capilares, igual que los nutrientes suben en las plantas en contra de la gravedad gracias a la capilaridad?", plantea.

El mecanismo de extrusión líquida propuesto sigue siendo un modelo, pero los próximos experimentos para visualizar directamente el proceso de exportación ya están en marcha. El equipo también prevé desarrollar un modelo murino, en colaboración con otros grupos, para confirmar los resultados en tejido vivo.

Implicaciones para la fibrosis y el cáncer

Si el modelo se confirma, el trabajo tiene implicaciones para varias enfermedades en las que la secreción excesiva de colágeno desempeña un papel central, como la fibrosis hepática, pulmonar y cutánea, así como para abordar la densa matriz con la que los tumores se protegen frente a la quimioterapia y el sistema inmunitario.

"Uno de los grandes problemas del cáncer es que las células tumorales secretan tal cantidad de colágeno y otras proteínas a la matriz extracelular que se esconden dentro de una especie de coraza formada por estos componentes, volviéndose refractarias a la quimioterapia y a la inmunoterapia, es decir, dejan de ser detectadas por los fármacos y por el sistema inmunitario", explica Malhotra.

"Hay grupos buscando formas de romper ese cemento tisular, y nuestro estudio podría ayudar a orientar esas estrategias", añade.

El modelo propuesto apunta a dos posibles vías que merece la pena explorar: degradar TANGO1 para impedir que la carga sea capturada en el punto de salida, o disolver el propio condensado para evitar que la carga llegue a organizarse correctamente.

El estudio ha sido liderado por Soumya Bhattacharyya y Vivek Malhotra en el CRG, con la participación de Jose Wojnacki y Nathalie Brouwers, con el apoyo técnico de la Unidad de Microscopía Óptica Avanzada del CRG y la Unidad de Citometría de Flujo CRG/UPF. La investigación ha contado con financiación del Ministerio de Ciencia e Innovación, la Generalitat de Catalunya y el Consejo Europeo de Investigación.

EN CATALÀ

El col·lagen existeix com un condensat amb forma líquida dins de les cèl·lules

El col·lagen, la proteïna que dona forma a la pell, els ossos, els tendons i els òrgans, existeix a l'interior de les cèl·lules en forma de gota líquida, i no com la vareta llarga i rígida que mostren els llibres de text des de fa més de mig segle. Així ho conclou un nou estudi del Centre de Regulació Genòmica (CRG) de Barcelona.

La troballa, publicada a la revista Journal of Cell Biology, constitueix la primera observació directa sobre com s'organitza de manera natural la proteïna més abundant del cos humà, responsable del voltant d'un terç de la massa proteica total, dins de les cèl·lules vives.

"Dins de la cèl·lula, les molècules de col·lagen no són rígides, com s'havia assumit. En realitat, són molt mal·leables i adopten una forma de condensat líquid, molt semblant a una gota d'oli suspesa en aigua", explica el professor d'investigació ICREA Vivek Malhotra, autor principal de l'estudi al CRG.

Aquest estat líquid podria complir una funció protectora. Un cop fora de la cèl·lula, el col·lagen s'assembla en les fibres rígides que sostenen els teixits. Que aquest mateix procés ocorregués dins de la cèl·lula seria catastròfic. "És una altra de les formes que tenen les cèl·lules d'assegurar-se que les molècules de col·lagen mai es tornin fibroses al seu interior", assenyala Malhotra. "Perquè, si ho fessin, la cèl·lula moriria".

La troballa té implicacions per entendre com exportem el nostre principal material estructural des del lloc on es fabrica. L'equip suggereix que les cèl·lules eviten recórrer als receptors o vesícules convencionals, la ruta clàssica descrita als anys vuitanta i noranta i reconeguda amb el Premi Nobel el 2013.

En lloc d'això, l'equip proposa la hipòtesi de l'"extrusió líquida", segons la qual el col·lagen es desplaçaria des del seu lloc de síntesi fins al següent compartiment de la via secretora gràcies a la capil·laritat. La teoria té implicacions rellevants per a la cicatrització, la fibrosi i el càncer.

Un enigma de seixanta anys de la biologia cel·lular

El col·lagen es fabrica dins d'un compartiment cel·lular anomenat reticle endoplasmàtic. En concret, l'estudi va analitzar una forma precursora denominada procol·lagen 1, que madura fins a convertir-se en col·lagen tipus 1, el més comú de l'organisme i aproximadament el 90% del total de col·lagen corporal.

Sota el microscopi, el col·lagen purificat es mostra com una vareta llarga i rígida que pot assolir els 400 nanòmetres de longitud. Les vesícules, les petites estructures encarregades de transportar les proteïnes des del seu lloc de síntesi cap a l'exterior cel·lular, mesuren, però, entre 60 i 90 nanòmetres de diàmetre.

Des que es va descriure l'estructura del col·lagen fa més de mig segle, la biologia cel·lular s'ha preguntat com unes molècules tan grans poden transportar-se fora de la cèl·lula. La nova resposta és que, dins de la cèl·lula, el col·lagen encara no és una vareta. La imatge canònica de la proteïna descriu el col·lagen quan ja ha sortit de la cèl·lula i s'ha assemblat en les fibres que mantenen units els teixits.

Mitjançant imatges d'alta resolució de cèl·lules vives, l'equip va treballar amb cèl·lules estrellades hepàtiques humanes, les cèl·lules del fetge encarregades de produir col·lagen i responsables de les cicatrius en la fibrosi hepàtica. Les imatges mostren que, dins de la cèl·lula, el col·lagen s'agrupa en petites gotes que es fusionen, es divideixen i intercanvien material amb el seu entorn.

Tots aquests senyals són propis d'un condensat. Els condensats són compartiments de proteïnes que assoleixen tal concentració que se separen del seu entorn, com gotes d'oli a l'aigua.

Segons Soumya Bhattacharyya, primer autor de l'estudi, la major part de la biologia cel·lular s'ha centrat fins ara en condensats que apareixen al nucli o en grànuls d'estrès al citosol. "A penes estem començant a comprendre els condensats dins del reticle endoplasmàtic", assenyala Bhattacharyya.

El descobriment: "No tenia ni idea d'on ens portaria"

Les troballes van sorgir d'imatges de microscòpia preses pel doctor Bhattacharyya, investigador postdoctoral del laboratori de Vivek Malhotra, el maig del 2024. Bhattacharyya utilitzava el sistema de cèl·lules hepàtiques com a eina per estudiar què passa quan augmenta la producció de col·lagen en cèl·lules fibròtiques.

"No tenia ni idea d'on ens portaria. Però, quan vam observar les mostres, el que em va cridar l'atenció van ser unes estructures esfèriques brillants que era impossible passar per alt", recorda Bhattacharyya.

La reacció inicial al laboratori davant d'una troballa que desafiava un dogma de la biologia cel·lular va ser d'escepticisme. "Vaig pensar que havia de ser un artefacte", reconeix Malhotra.

En els mesos següents, l'equip va haver de determinar si aquests cúmuls de proteïna observats dins del reticle endoplasmàtic eren simple rebuig cel·lular. Les cèl·lules disposen d'un sofisticat sistema per detectar proteïnes mal plegades i, o bé les repleguen correctament, o bé les marquen per a la seva destrucció. Aquest sistema s'articula al voltant d'una xaperona anomenada BiP.

Si les gotes de col·lagen fossin simples acumulacions de proteïna mal plegada, l'equip detectaria nivells alts de BiP. En lloc d'això, les gotes contenien una barreja de proteïnes auxiliars, entre elles xaperones que reconeixen específicament el col·lagen correctament plegat.

El paper de TANGO1

L'estudi també aclareix la funció de TANGO1, una proteïna descoberta fa aproximadament dues dècades pel laboratori de Malhotra i de la qual se sap que és necessària per a l'exportació del col·lagen. Quan l'equip va reduir els seus nivells, les gotes de col·lagen seguien formant-se, però ja no se situaven en els llocs de sortida del reticle endoplasmàtic pels quals la càrrega abandona el compartiment. La secreció de col·lagen va caure en conseqüència.

La troballa suggereix que TANGO1 actua com un punt d'amarratge que subjecta la gota al lloc de sortida, més que com un receptor de càrrega convencional. L'equip proposa que el col·lagen abandona després la cèl·lula mitjançant un procés físic denominat wetting (humectació), pel qual la gota líquida s'adhereix al lloc de sortida i flueix a través d'ell.

Malhotra planteja dos possibles mecanismes físics per a aquesta transferència. "Imagineu una pilota plena de líquid, amb una broqueta. Si l'apreta, força el líquid a sortir per aquest petit orifici. És aquest el mecanisme? O és més aviat que el líquid ascendeix per forces capil·lars, igual que els nutrients pugen a les plantes en contra de la gravetat gràcies a la capil·laritat?", planteja.

El mecanisme d'extrusió líquida proposat continua essent un model, però els pròxims experiments per visualitzar directament el procés d'exportació ja estan en marxa. L'equip també preveu desenvolupar un model murí, en col·laboració amb altres grups, per confirmar els resultats en teixit viu.

Implicacions per a la fibrosi i el càncer

Si el model es confirma, el treball té implicacions per a diverses malalties en què la secreció excessiva de col·lagen exerceix un paper central, com la fibrosi hepàtica, pulmonar i cutània, així com per abordar la densa matriu amb què els tumors es protegeixen davant la quimioteràpia i el sistema immunitari.

"Un dels grans problemes del càncer és que les cèl·lules tumorals secreten tal quantitat de col·lagen i altres proteïnes a la matriu extracel·lular que s'amaguen dins d'una espècie de cuirassa formada per aquests components, tornant-se refractàries a la quimioteràpia i a la immunoteràpia, és a dir, deixen de ser detectades pels fàrmacs i pel sistema immunitari", explica Malhotra.

"Hi ha grups buscant formes de trencar aquest ciment tissular, i el nostre estudi podria ajudar a orientar aquestes estratègies", afegeix.

El model proposat apunta a dues possibles vies que val la pena explorar: degradar TANGO1 per impedir que la càrrega sigui capturada en el punt de sortida, o dissoldre el propi condensat per evitar que la càrrega arribi a organitzar-se correctament.

L'estudi ha estat liderat per Soumya Bhattacharyya i Vivek Malhotra al CRG, amb la participació de Jose Wojnacki i Nathalie Brouwers, amb el suport tècnic de la Unitat de Microscòpia Òptica Avançada del CRG i la Unitat de Citometria de Flux CRG/UPF. La recerca ha comptat amb finançament del Ministeri de Ciència i Innovació, la Generalitat de Catalunya i el Consell Europeu de Recerca.