Indkapslede proteinoscillationer forårsager dynamiske membrandeformationer i celler

Hvilke kriterier skal en syntetisk skabt celle opfylde for at blive betragtet som levende? Hvad er de minimale krav til individuelle funktioner i en sådan celle?

Spørgsmål som disse driver Petra Schwille og hendes team på Max Planck Institute for Biochemistry. Nu har forskerne vist, at der kun skal fem biologiske byggesten til at generere cellelignende strukturer, der udviser autonom bevægelse, mens de forbruger energi. Opdagelsen af ​​disse pulserende, at slå vesikler kom som en overraskelse, siden oprindeligt ville forskerne undersøge processer relateret til celledeling. Undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Angewandte Chemie International Edition .

Syntetisk biologi har sat sig til opgave at efterligne biologiske systemer, eller endda ændre dem på en måde, der muliggør nye applikationer. Som sådan, cellefunktion kan reproduceres i reagensglasset og dermed bedre forstås, som kan føre til teknologiske fremskridt. De anvendte molekylære byggesten er for det meste af biologisk oprindelse, men forskere kan enten efterligne naturlige mekanismer eller forfølge nye tilgange.

Ofte er det en del af syntetisk biologi at lukke de biologiske byggesten ind i mikroskopisk små beholdere for at reproducere forhold i levende celler. Populære beholdere er såkaldte kæmpe vesikler.

Disse boblelignende strukturer består af et tyndt lipidlag, der ligner cellemembranen. Derudover de deler andre ejendomme, f.eks. deres størrelse (1-100 µm), med levende celler. Dette gør dem til et ideelt modelsystem inden for syntetisk cellebiologi.

Forskerne ved Max Planck Institute of Biochemistry har nu indesluttet to forskellige proteiner og kemisk energi i form af ATP i de cellelignende kæmpe vesikler. Under mikroskopet, de observerede, at strukturerne begyndte at bevæge sig uafhængigt og periodisk. I deres udgivelse i, de beskriver disse strukturer som "slående vesikler."

Hvordan bestemmer en celle sit centrum?

Proteinerne brugt til disse forsøg kommer fra tarmbakterien Escherichia coli, der fungerer som et vigtigt modelsystem i biologisk forskning. Disse bakterier har en aflang form og deler sig nøjagtigt i deres centrum. For at finde ud af, hvor dette center er, de stavformede bakterier bruger en sofistikeret mekanisme:Proteinerne MinD og MinE svinger frem og tilbage mellem de to ender af bakterien. Celledelingsmaskineriet frastødes af disse proteiner og sætter sig så langt væk fra enderne som muligt:​​lige i midten af ​​cellen.

Rejsemønstre

Nu, forskere fra Institut for Cellulær og Molekylær Biofysik ved Max Planck Institute of Biochemistry er for første gang lykkedes med at indkapsle disse oscillerende proteiner i kæmpe vesikler. Holdet af Petra Schwille observerede, at proteinerne i de gigantiske vesikler bevæger sig periodisk og svinger frem og tilbage - svarende til adfærden hos levende bakterier.

I fremtidige eksperimenter, forskerne planlægger at indeslutte yderligere komponenter i vesiklerne. Dette kunne gøre det muligt for vesiklerne at dele sig og dermed formere sig. Imidlertid, de blinkende proteinmønstre var ikke den eneste effekt, som forskerne observerede under mikroskopet:Derudover, vesiklerne bevægede sig autonomt og ændrede rytmisk deres form som hoppende gummibolde.

Thomas Litschel, første forfatter til undersøgelsen, forklarer, at observationerne kom som en overraskelse, da det tidligere ikke var kendt, at et så enkelt system, bygget af kun få byggeklodser, kunne føre til dynamiske membrandeformationer af dette omfang. "De fleste fænomener i biologiske systemer er meget mere komplekse, end de ser ud til. Her, endelig, det modsatte er sandt:en tilsyneladende kompleks adfærd bestående af meget få forskellige biologiske funktionelle moduler", opsummerer Petra Schwille resultaterne.

Selvom vejen til syntetisk producerede celler er lang, rekonstitueringen af ​​individuelle biologiske funktioner tilføjer endnu et element til det bioteknologiske værktøjssæt, der kræves for at nå dette mål. Hvert trin på vejen til den syntetiske celle forbedrer også forståelsen af ​​processer i eksisterende organismer. På denne måde de "slående vesikler" hjælper forskerne med at studere livets grundlæggende principper.