Forskere opdager en udløser for rettet cellebevægelse

Når en individuel celle placeres på en plan overflade, det holder ikke stille, men begynder at bevæge sig. Dette fænomen blev observeret af den britiske cellebiolog Michael Abercrombie så længe siden som i 1967. Siden da har forskere har trives med at forstå, hvordan celler opnår denne bedrift. Så meget er kendt:Celler danner såkaldte lamellipodia-cellulære fremspring, der kontinuerligt vokser og trækker sig sammen-for at drive sig selv mod signalerende signaler, såsom kemiske tiltrækningsmidler, der produceres og udskilles af andre celler. Når sådanne eksterne signaler mangler - som i observationen fra Abercrombie - begynder cellerne aktivt at lede efter dem. Derved, de bruger søgemønstre, der også kan observeres i hajer, bier eller hunde. De bevæger sig forbigående i en retning, hold op, vrikke på stedet et stykke tid, og fortsæt derefter i en anden retning. Men hvordan bevarer cellernes bevægelsesretning over en længere periode?

Forskere ved Cells-in-Motion Cluster of Excellence ved universitetet i Münster (Tyskland) rapporterer nu et svar på dette spørgsmål. De opdagede, at membrangeometri kan udløse efterfølgende lamellipodiale cyklusser:Mekaniske kræfter forårsager dannelse af membrankrøvelse, hvor visse proteiner, der genkender denne geometri, samler sig. Disse proteiner, på tur, lad cellen danne lamellipodia. "Krumningen, genereret under tilbagetrækning forudbestemmer væksten af ​​den næste lamellipodiale cyklus. Sådan genaktiverer mekanismen sig selv konstant, "forklarer biolog Dr. Milos Galic, junior forskergruppeleder ved Cluster of Excellence, og seniorforfatter af undersøgelsen. Når eksterne signaler mangler, en celle stopper ikke bare og markerer tiden - den går et øjeblik i en retning og patruljerer effektivt dens miljø. Undersøgelsen er blevet offentliggjort i Naturfysik tidsskrift.

Udgangspunktet for undersøgelsen var en overraskende observation foretaget under analyse af mikroskopiske billeder. Forskerne undersøgte, hvordan celler dannede lamellipodia og, som konsekvens, hvordan cellers bevægelse og form ændrede sig. De opdagede, at lamellipodia udviklede sig over en lang række størrelser og havde meget forskellige levetider.

"I dataene vi kunne ikke genkende noget tilbagevendende mønster i væksten og sammentrækningen af ​​lamellipodia, "siger hovedforfatter Dr. Isabell Begemann, en biolog, der gennemførte undersøgelsen som en del af sin doktorafhandling. Forskerne var i stand til at bestemme, at steder med efterfølgende lamellipodia -forlængelse forekom, hvor cellemembranen udviklede en stærk krumning. De antog derfor, at en mekanisme forbundet med disse krumninger kan bestemme kontinuerlige bevægelsescyklusser og, som konsekvens, bevægelsesudholdenhed.

Biologer, biokemikere og fysikere arbejdede tæt sammen for at undersøge denne idé. De udviklede først biosensorer for at mærke stærkt buede steder på cellemembranen, og visualiserede dem ved hjælp af forskellige mikroskopier i høj opløsning. Til denne ende, de forbandt fluorescerende molekyler med såkaldte I-BAR-domæner. Disse er bananformede områder af proteiner, hvis positivt ladede side binder den negativt ladede cellemembran-men kun når membranen er buet.

Udnytter disse biosensorer, forskerne var i stand til at demonstrere, at de krumningsfølsomme proteiner akkumuleres på steder, hvor lamellipodium trækker sig sammen. Når den er beriget, disse proteiner fremkalder fremspringende kræfter i cellen via proteinet actin, som udløser udvækst af lamellipodium. I et næste trin, forskerne udviklede en matematisk model, der rekonstituerer mekanismen og simulerede den på computeren ved hjælp af forskellige parameterkombinationer. Sammenligning af de forudsigelser, der stammer fra den matematiske model med komplementære eksperimentelle billeddannelsesdata, styrker yderligere resultaterne hidtil.

Forskerne fandt beviser for tilstedeværelsen af ​​den identificerede motilitetsmekanisme i cellekulturmodeller, for eksempel, i bindevævsceller, der stammer fra mus, i humane blodkarceller fra navlestrengen, og også i humane immunceller - dvs. en celletype, der faktisk bevæger sig frit inden i organismen. Endelig, forskerne ønskede også at vide, hvilke virkninger den foreslåede mekanisme havde på cellens motilitet.

"Vi nedregulerede I-BAR-proteiner, gør det muligt for os at hacke ind i cellens selvorganiseringssystem, "siger Milos Galic. Uden mekanismen, cellen formår stadig at bevæge sig, men søgeområdet bliver væsentligt mindre. Parallelt med denne mekanisme, der er andre maskiner, der fletter sig sammen - men mekanismen har indflydelse på en celles motilitet. Resultaterne af undersøgelsen kunne, i fremtiden, hjælp til at besvare grundlæggende spørgsmål om processer i organismer, der involverer frit bevægelige celler.