Forskere afslører fastklemning i cellulær motorisk proteintrafik

For at holde en celle i live, molekylære motorproteiner transporterer konstant byggesten og affald hen over cellen, langs sit biopolymernetværk. På grund af den høje densitet af disse proteiner, det antages, at jammingseffekter påvirker denne transport, ligesom trafikpropper påvirker gadetrafikken. Imidlertid, man ved ikke meget om sådanne trængselseffekter i mobiltelefontrafik. Forskere i grupperne Erwin Peterman og Peter Schall ved LaserLaB (VU) og Institute of Physics (UvA) har nu fundet en måde at direkte visualisere og måle disse jamming -effekter i mobiltrafik. Deres resultater, som er blevet offentliggjort i Fysisk gennemgang X denne uge, give ny indsigt i motorinteraktioner i den overfyldte molekylære motortransport. Dette projekt modtager finansiering fra NWO's kompleksitetsprogram.

Levende celler kræver en konstant transport af næring og affald. Dette opnås ved molekylære motorproteiner, der transporterer organeller og andre byggesten langs netværket af biopolymerer i cytoskeletet, som spænder over cellens volumen. De enkelte motorers gangmekanisme er blevet undersøgt grundigt:Kinesin-1, for eksempel, en vigtig repræsentant for Kinesin -familien af ​​proteiner, bevæger sig ved den efterfølgende, hånd-over-hånd trinering af to motordomæner i veldefinerede trin på 8 nanometer. Det, der hidtil har været uklart, er, hvordan motorerne går og interagerer kollektivt. På grund af deres tætte befolkning, trængselseffekter kan afgørende påvirke transporten over cellen, men hidtil var der ikke adgang til disse effekter i det tætbefolkede regime.

Hastighedsmålinger

Forskere ved UvA og VU har nu gjort betydelige fremskridt med dette problem ved at kombinere en ny korrelation imaging teknik med fysisk modellering. Ligesom i tidligere undersøgelser, de brugte fluorescensmærkede motorer under veldefinerede forhold på mikrotubuli - komponenter i cellens cytoskelet - samlet på et objektglas. Ved at korrelere de bevægelige billedpunkter for de fluorescerende motorproteiner i rum og tid, forskerne kunne for første gang måle deres hastighed og løbe længde langs filamentet ved høje densiteter.

Disse målinger afslørede en bemærkelsesværdig nedbremsning af motorerne, da tætheden steg, demonstrerer dannelsen af ​​trafikpropper. Disse trafikpropper blev direkte bekræftet i de observerede spor af motorerne. Desuden, forskerne viste, at disse trafikpropper var godt beskrevet af simple transportmodeller, hvor motorproteinerne er modelleret af hårde partikler, der hober sig op, når de kommer i vejen for hinanden. Overraskende nok dog de forskellige motorarter viste meget forskellige længder, de interagerer over:fra deres fysiske størrelse som antaget i den simple model, op til en afstand 30 gange større end denne størrelse.

Selv om afklaring af mekanismen bag denne langdistanceinteraktion stadig er et spændende åbent problem for fremtidig forskning, de nuværende resultater illustrerer allerede motorernes meget forskellige karakteristika. At lære mere om disse motorproteinspecifikke egenskaber kan hjælpe med at klare, eller endda undertrykke jamming-effekter i mobiltrafikken. For eksempel, det er velkendt, at ved sygdomme som Alzheimers sygdom, neuronal transport er stærkt hæmmet, resulterer i lokale ophobninger af motorproteiner og deres laster, som kan spille en rolle i neurodegeneration.