En trafikbetjent for celleoverfladen:Forskere belyser en grundlæggende biologisk proces

På overfladen af ​​vores billioner af celler er en kompleks skare af molekyler, der bevæger sig rundt, taler til hinanden, lejlighedsvis adskiller sig selv, og udløser grundlæggende funktioner lige fra smertefornemmelse til insulinfrigivelse.

De strukturer, der organiserer denne mikroskopiske trafikprop, er ikke længere usynlige, tak til forskere fra Colorado State University. Et tværfagligt team af enkeltmolekyle biofysikere og biokemikere har belyst en langdunklet cellulær proces:en pattedyrscellemembrans forhold til et stillads under den, cortical actin cytoskelet. For første gang, CSU-teamet har foretaget observationer i realtid af dette cytoskelet, der fungerer som en barriere, der organiserer proteiner på cellens overflade, effektivt spiller trafikbetjent på cellens membranaktiviteter.

Den banebrydende visualisering og analyse af denne mest fundamentale biologiske proces - hvordan en cellemembran interagerer med sit intracellulære miljø og styrer cellulære funktioner - blev i fællesskab opnået af laboratorierne i Diego Krapf, lektor i el- og computerteknik og biomedicinsk teknik, og Michael Tamkun, professor i biomedicinsk videnskab ved College of Veterinary Medicine and Biomedical Sciences, og af biokemi, i College of Natural Sciences. Forskernes undersøgelse vil blive vist i en kommende udgave af Fysisk gennemgang X , med første forfatter Sanaz Sadegh, en ph.d. elev i Krapfs laboratorium.

I deres undersøgelse, forskerne brugte en kraftfuld billedteknologi med superopløsning kaldet fotoaktiveret lokaliseringsmikroskopi (PALM), hvilken, ved at omgå den naturlige diffraktionsgrænse for lys, giver forskere mulighed for at tage skarpe billeder og videoer af biologiske processer på nanoskalaen. Superopløsningsmikroskopi var genstand for Nobelprisen i kemi 2014.

CSU -forskerne fokuserede på bevægelser af kaliumionkanaler, en type protein, der er kritisk for cellulære funktioner på celleoverfladen, og hvordan disse ionkanaler interagerer med cortical actin cytoskelet. Cytoskeletet er et edderkoppespindlignende netværk af filamenter lige under cellemembranen, der giver cellen noget af sin form og struktur. Forskere havde tidligere antaget, at cytoskeletet spiller en kritisk rolle i at hjælpe membranproteinerne, der studerer celleoverfladen, med at organisere sig og transmittere signaler for at holde cellen sund og fungerende. Men visuelt at fange denne actin-protein-interaktion i levende celler havde været umuligt.

"Proteiner på celleoverfladen, som ionkanaler, har en masse masse, der hænger ned i cellen, "Forklarer Tamkun." Det er den intracellulære masse, der kolliderer med aktinnetværket. "

Ved hjælp af et specialdesignet superopløsningsmikroskop, forskerne lavede film, der fangede de nøjagtige øjeblikke, hvor ionkanalerne kolliderede med aktinnetværket. Hvad mere er, de udførte statistisk analyse af disse bevægelser for at give bevis for aktinens vigtigste strukturelle elementer. Det kortikale aktinnetværk i en celle er en fraktal, hvilket betyder, at det er strukturelt ens i forskellige længder.

"Aktin -netværkets fraktale karakter forklarer vores målinger, "Sagde Sadegh." Det får os til at stille spørgsmålstegn ved, hvorfor vi ser så mange fraktaler i naturen. Er det en effektiv måde at organisere funktioner på? Det er et interessant spørgsmål til fremtidige undersøgelser. "

CSU -forskernes analyse viste, at cellemembranproteinernes tilfældige bevægelser udviser sofistikerede mønstre. Blandt deres observationer var, at proteinerne havde en tendens til at hoppe tilbage til de steder, de tidligere havde besøgt. For første gang, CSU-forskerne tilbød statistiske og visuelle beviser for, at denne tilbagevenden er direkte forårsaget af aktinens fraktale natur.

Den største tekniske udfordring var at opnå billeder i høj opløsning i meget korte tidsudbrud, ifølge Krapf. "Hvis vi venter 10 sekunder, cellens cytoskelet ændres, så vi skal forestille os det hurtigt. Vi havde to sekunders intervaller, og inden for disse sekunder var vi nødt til at opnå en rumlig opløsning, der var høj nok til at se kollisioner mellem individuelle membranproteiner og aktinstrukturen. "

Forskerne vil forstå alt om cellemembranen, fordi det er sådan cellen kommunikerer med sit ydre miljø, og det kan indeholde nøglen til sygdomsprogression og andre aspekter af menneskers sundhed. "Det er vigtigt for os at forstå, hvordan cellen organiserer sin membran for at holde tingene de steder, de skal være, "Sagde Sadegh. Hun foreslog, at fremtidige undersøgelser kunne fokusere på bestemte steder på membranen - f.eks. hvor endocytose finder sted - og hvordan aktinnetværket regulerer lokaliseret aktivitet.