Forskere rapporterer de første proteinhydrogeler nogensinde lavet i levende celler

Johns Hopkins cellebiologer rapporterer, hvad de mener er den første nogensinde skabelse af bittesmå proteinbaserede gelatinelignende klumper kaldet hydrogeler inde i levende celler. Evnen til at skabe hydrogeler efter behov, de siger, skulle fremme den lange videnskabelige kamp for at studere de undvigende strukturer - som dannes i naturen, når proteiner eller andre molekyler aggregerer under visse forhold - og for at afdække deres formodede bidrag til menneskelige sygdomme.

"Den spændende del af dette arbejde er ikke kun, at vi lavede hydrogeler, men at vi nu er udstyret med denne kraftfulde teknik, der lader os stille grundlæggende – og meget udfordrende – spørgsmål om dem, " siger Takanari Inoue, Ph.D., en lektor i cellebiologi ved Johns Hopkins University School of Medicine og seniorforfatter af rapporten om forskningen offentliggjort online 6. november i tidsskriftet Naturmaterialer .

En hydrogel er ethvert fast gelmateriale, der holder sammen på grund af tætte forbindelser mellem dets molekyler, men som også absorberer masser af vand. Menneskeskabte hydrogeler bruges i hverdagsprodukter som kontaktlinser, engangsbleer og hårgeléer, som udnytter deres vandelskende natur.

I levende celler, de fleste flydende strukturer er omsluttet af membraner, der hjælper dem med at bevare deres form i cellernes vandige cytoplasma. Men når celler udsættes for stress – alt fra varme til sult eller infektion – kan proteiner og ribonukleinsyre (RNA)-molekyler klumpe sig til stressgranulat, som er fri for omsluttende membraner og ofte danner små kugler beslægtet med hårgelé suspenderet i en balje med vand.

Nogle forskere har antaget, at ophobningen af ​​disse naturlige hydrogeler kan være forbundet med neurodegenerative sygdomme, herunder amyotrofisk lateral sklerose (ALS), og at for mange eller for få stressgranulat kan påvirke cellernes funktionsevne. Men det har været svært at finde beviser, dels fordi andre former for hydrogeler inde i celler kan være normale dele af cellefysiologien.

"Disse hydrogeler mangler membraner, så det er svært at isolere og rense dem, " siger Inoue. "De er så skrøbelige, at vi ikke bare kan samle dem, som vi kan med kerner eller mitokondrier, " tilføjer han. Endnu værre, han siger, når deres omgivelser ændrer sig, stressgranulat skifter fra at være hydrogeler til en anden type struktur, kaldet væskedråber, på samme måde som hårgelé kan opløses i vand, hvis du varmer det op. Forskere verden over har forsøgt at injicere kemiske hydrogeler i levende celler for at studere dem, men normalt bliver cellerne syge, sandsynligvis på grund af toksicitet fra kemikalierne.

I et forsøg på at overvinde sådanne barrierer for studier, Inoues team designede et system, de kaldte iPOLYMER, består af to bindende proteiner, FKBP og FRB, og et immunsuppressivt kemikalie og lægemiddel kaldet rapamycin. Forskere vidste allerede, at rapamycin kunne bruges til at mediere interaktioner mellem FKBP og FRB.

Tidligere undersøgelser havde vist, at uden rapamycin til stede, FKBP og FRB eksisterer som separate proteiner, men når rapamycin er tilsat, det binder til begge, trækker proteinerne sammen til et fast kompleks. At designe proteinerne, så de ville danne den rigtige fysiske struktur til hydrogeler, krævede en masse forsøg og fejl, siger Inoue.

For at skabe iPOLYMER i levende celler, forskerne konstruerede celler til at indeholde to slags proteinstrenge sammensat af tandem FKBP'er og FRB'er, og derefter tilsat rapamycin, som normalt ikke findes i levende celler. Ved at se disse celler under et mikroskop, mens de tilføjede rapamycin, Inoues hold kunne se hydrogeler dannes.

"Så vidt vi ved, det er første gang nogen har lavet en hydrogel i en levende celle på denne måde, " siger Inoue.

Forskerne modificerer nu iPOLYMER-systemet, så hydrogelerne integrerer RNA-molekyler i deres strukturer, hvilket gør dem bedre til at efterligne stressgranulatet set i menneskelige celler. Forskerne vil også gerne skabe et system, hvor proteinerne, FKBP og FRB, danne flydende dråber, så de kan sammenligne virkningerne af proteinstrukturernes væskedråber og hydrogelformer.