Cellulær genbrug taget på fersk gerning

Et team af forskere ved Center for Selvsamling og kompleksitet, inden for Institute for Basic Science (IBS) har observeret en normal fysiologisk proces, kaldet "selvspisning", som celler bruger til at genbruge deres komponenter. De udviklede en præcis teknik, der visualiserer, hvordan mitokondrier, cellernes energifabrikker, er fusioneret med lysosomer, cellers genbrugsmaskiner, for at få materiale destrueret og genbrugt. Da uregelmæssigheder i denne mekanisme kan føre til Alzheimers, Parkinsons, og andre komplikationer denne forskning kan hjælpe fremtidige fremskridt inden for diagnosticering af degenerativ hjernesygdom og udvikling af lægemidler. Undersøgelsen blev offentliggjort i Angewandte Chemie International Edition .

Navnet "autofagi" kommer fra det græske sprog og betyder "selvspisende". Lige så underligt det lyder, det er en uundværlig proces, der bruges til at rense celler fra beskadigede organeller og proteiner. Inde i lysosomer, gamle celledele nedbrydes til deres byggesten, som er ansat til at bygge nyt. For nylig, autofagi blev et meget aktivt studieområde og var i centrum for Yoshinori Ohsumis Nobelpris i fysiologi eller medicin i 2016.

Et eksempel på cellulær organel, der periodisk skal genbruges, er mitokondrien. Den omhyggelige regulering af denne proces er afgørende, og celler, der ikke deler sig regelmæssigt, som nerveceller, er særligt sårbare. Hvis celler akkumulerer defekte mitokondrier, de kan skade sig selv. Dette sker, for eksempel, ved Alzheimers og Parkinsons sygdomme, hvor opbygning af beskadigede mitokondrier og aggregerede proteiner fører til neuronal død.

Det er kendt, at autofagi (eller mitofagi, i det specifikke tilfælde af mitokondrier) sker ved fusion af to forskellige organeller, i dette tilfælde:mitokondrier og lysosomer. Imidlertid, at observere adfærden og fusionen af ​​mitokondrier og lysosomer inde i cellerne har været udfordrende. Til dato, de fleste af disse undersøgelser er afhængige af fluorescerende proteiner knyttet til en organel, hvilket gør det muligt for forskerne kun at observere et organel ad gangen. I øvrigt, fluorescerende proteiner selv nedbrydes under autofagi, gør det vanskeligt at studere mekanismen nøjagtigt.

IBS-forskere ved POSTECH udtænkte en kvantitativ procedure til at visualisere både mitokondrier og lysosomer over tid. Den relativt enkle og billige teknik er mere præcis end den nuværende. Den bruger hule tøndeformede syntetiske molekyler, kendt som cucurbituril (CB[7]), der binder med usædvanligt høj bindingsstyrke til et molekyle kaldet adamantylamin (AdA) og kan ikke nedbrydes af lysosomerne. CB[7] blev dekoreret med et fluorescerende farvestof (Cy3), mens AdA med et andet farvestof (Cy5). I første omgang, CB [7] -Cy3 kommer ind i lysosomerne og Ada-Cy5 i mitokondrierne, og så, når de to organeller smelter sammen i genbrugsprocessen, CB [7] -Cy3 og Ada-Cy5 binder sammen. På denne måde forskergruppen fulgte forskellige organelles adfærd og observerede mitofagiprocessen i levende celler. I øvrigt, forsøgene viste, at de to forbindelser ikke er toksiske for cellerne under en 800 nanomolær dosis.

"Den mest udfordrende del af eksperimentet var valget af kemikalierne. Vi valgte kemikalier med den rigtige hydrofilicitet, oplade, og molekylær størrelse til at blive selektivt inkorporeret i mitokondrier og lysosomer, " forklarer PARK Kyeng Min, en af ​​de tilsvarende forfattere til undersøgelsen.

Mere teknisk set, nyheden i dette papir bygger på anvendelsen af ​​fluorescensresonansenergioverførsel (FRET) til studiet af autofagi. FRET er en afstandsafhængig overførsel af energi mellem to forskellige fluorescerende farvestoffer; i dette tilfælde Cy3 og Cy5. Når de to er tæt nok på, Cy3 donerer energi til Cy5. Forskerne fanger mødet mellem de to farvestoffer, da overførslen af ​​energi fra Cy3 til Cy5 fører til en reduktion i Cy3-fluorescensintensiteten til fordel for en stigning i Cy5-emissionsintensiteten.

I fremtiden, en lignende teknik kunne bruges til at studere autofagi processer, der involverer andre cellulære organeller, ligesom proteinfabrikkerne Golgi-apparat og endoplasmatisk retikulum.