Brug af laserpincet, forskere griber og studerer små proteindråber

Universitetet i Buffalo fysikere bruger innovative værktøjer til at studere egenskaberne ved en bizar klasse af molekyler, der kan spille en rolle ved sygdom:proteiner, der klynger sig sammen til dannelse af sfæriske dråber inde i menneskelige celler.

Forskernes nyeste forskning belyser de forhold, der får sådanne dråber til at skifte fra en væske, flydende tilstand til en hårdere, gel-lignende tilstand.

Udgivet den 19. februar i tidsskriftet Biomolekyler som en fremhævet artikel, undersøgelsen finder ud af, at visse proteindråber hærder, bliver gelatinøs i overfyldte miljøer (f.eks. reagensglas, hvor mange andre molekyler er til stede, efterligner de overbelastede forhold inde i levende celler).

"Disse dråbeformende proteiner er et relativt nyt studieområde, så vi ved meget lidt om deres grundlæggende egenskaber, "siger hovedforsker Priya R. Banerjee, Ph.d., adjunkt i fysik ved UB College of Arts and Sciences. "Som fysikere, vi ønsker at kvantificere dynamikken i disse dråber og lære, hvilke faktorer der påvirker dem. Dette er vigtigt, da dynamikken i proteindråber er en nøgle til deres cellulære funktion og dysfunktion.

"Tidligere forskning har fokuseret på selve proteinernes struktur, men vores arbejde viser, at miljøfaktorer er lige vigtige. Vi ser, at ydre forhold kan ændre dråbernes indre tilstand, som kan påvirke deres funktion i humane celler. "

Forskningen er vigtig, fordi kondenserende proteiner kan være involveret i sundhed og sygdom. Nylige undersøgelser peger på potentielle roller for disse dråber i så forskellige funktioner som genekspression, stressrespons og immunsystemfunktion.

Det nye papir undersøger et dråbeformende protein kaldet fusioneret i sarkom (FUS). Flydende FUS -dråber findes i normale hjerneceller, men hos nogle patienter med den neurodegenerative sygdom amyotrofisk lateral sklerose (ALS), proteinet danner aggregater af fast materiale, Siger Banerjee. Det er uklart hvorfor.

Brug af lasere til at titte og stikke proteindråber

Forskningen anvendte to innovative teknikker til at vise, hvordan miljøforhold kan påvirke dråber fremstillet af FUS eller andre beslægtede proteiner.

I et sæt eksperimenter, forskere brugte meget fokuserede laserstråler - kaldet optisk pincet - til at fange og skubbe sammen to proteindråber, der flyder i en flydende bufferopløsning.

Proteindråberne fusionerede let for at danne en enkelt større dråbe, når bufferen blev tyndt befolket med andre inerte crowder -molekyler, såsom polyethylenglycol (PEG). Men da koncentrationen af ​​PEG eller andre kemikalier i bufferen steg, proteindråberne blev mere gelatinøse og ville ikke kombineres fuldstændigt.

I et andet sæt tests, teamet anvendte lasere på en anden måde - "laserpoking" - for at undersøge, hvordan FUS og beslægtede proteindråber reagerer på overfyldte miljøer.

I disse forsøg, Banerjee og kolleger knyttet fluorescerende mærker til talrige proteinmolekyler i en enkelt dråbe, får proteiner til at lyse. Forskerne "stak" derefter midten af ​​dråben med en laser med høj intensitet, en procedure, der fik alle fluorescerende molekyler, der blev ramt af laseren, til at blive permanent mørke.

Næste, forskere målte, hvor lang tid det tog for nye glødende proteiner at bevæge sig ind i det mørkede område. Dette skete hurtigt i proteindråber, der flyder i tyndt befolkede bufferopløsninger. Men genopretningstiden var dramatisk langsommere for dråber suspenderet i bufferopløsninger tykke med PEG eller andre forbindelser - en indikation, endnu engang, at proteindråber bliver gelatinøse i overfyldte miljøer. Resultaterne gjaldt både FUS og andre beslægtede proteindråber med forskellige primære strukturer.

"Vores eksperimenter blev udført i reagensglas, men vores resultater tyder på, at inde i levende celler, trængselstatus kan påvirke dynamikken i proteindråber, "Siger Banerjee.

Et vigtigt spørgsmål, der er tilbage, er, om og hvordan flydende FUS -dråber påvirker proteinets evne til at danne faste klumper, som set hos nogle ALS -patienter. Banerjee håber at løse dette problem gennem fremtidig forskning.