Forskere udvikler prober designet til at afsløre de fysiske kræfter inde i levende celler; en verdensnyhed

Detektering af fysiske kræfter er en af ​​de mest komplekse udfordringer, som videnskaben står over for. Selvom Newton løste problemet med tyngdekraften for længe siden, billeddannelse af de fysiske kræfter, der virker i levende celler, er fortsat et af de vigtigste mysterier ved den nuværende biologi. Anses for at spille en afgørende rolle i mange biologiske processer, de kemiske værktøjer til at visualisere de fysiske kræfter i aktion eksisterer ikke. Men i dag, forskere fra University of Geneva (UNIGE) og National Center of Competence in Research (NCCR) i kemisk biologi, Schweiz, har udviklet sonder, der kan trænge ind i celler og afbilde levende fysiske kræfter. Disse resultater, et vendepunkt i studiet af biovidenskab, kan findes i Journal of the American Chemical Society .

Siden oprettelsen i 2010, et af de centrale mål for NCCR kemisk biologi har været at løse problemet med at detektere cellulære fysiske kræfter. "Vores tilgang til at skabe spændingsprober var inspireret af farveændringen af ​​rejer, krabber eller hummere under tilberedning, "siger Stefan Matile, professor ved Institut for Organisk Kemi ved Det Naturvidenskabelige Fakultet i UNIGE og medlem af NCCR.

I levende rejer, de omgivende proteiners fysiske kræfter flader og polariserer carotenoidpigmentet, kaldet astaxanthin, indtil den bliver blå. "Under madlavning, disse proteiner udfoldes, og hummerpigmentet kan genvinde sin naturlige mørkeorange farve, " fortsætter Geneve-kemikeren. fascineret af disse krebsdyr, udviklingen af ​​fluorescerende sonder, der opererede efter det samme princip om planisering og polarisering, krævede omkring otte års forskning.

Sidste år, NCCR-holdene producerede endelig den første fluorescerende sonde, der var i stand til at afbilde de kræfter, der virker på den ydre membran, kaldet plasmamembranen, af levende celler. Anmodninger om prøver fra mere end 50 laboratorier rundt om i verden kom som et øjeblikkeligt svar på offentliggørelsen af ​​disse resultater, demonstrerer vigtigheden af ​​dette gennembrud for biovidenskab. For at imødekomme dette krav, UNIGEs kraftsonder blev lanceret under Flipper-TR-mærket i slutningen af ​​sidste år.

Hvad med de indre kræfter i cellerne?

Undersøgelsen af ​​kræfter, der gælder uden for cellerne, er ikke begrænset til kemiske værktøjer til fluorescensbilleddannelse. Cellulære overflader er tilgængelige for fysiske værktøjer som mikropipetter, optiske klemmer, cantilevers af atomkraftmikroskoper, osv. "Men disse fysiske værktøjer er åbenbart ikke anvendelige til studiet af kræfter i celler, " siger Aurélien Roux, en professor i Institut for Biokemi ved Det Naturvidenskabelige Fakultet ved UNIGE. "Organeller såsom mitokondrier, ansvarlig for energiproduktion; det endoplasmatiske retikulum, ansvarlig for proteinsyntese; endosomer, ansvarlig for handel med materiale til og inden i celler; eller kernen, som gemmer genetisk information, er simpelthen uden for rækkevidde af fysiske værktøjer udefra. "Indtil i dag, visualisering af de kræfter, der driver og kontrollerer disse organeller inde i cellerne, var stadig umulig, selvom det er vigtigt at forstå deres funktion.

Denne grundlæggende udfordring inden for biovidenskaben bliver nu imødekommet. NCCR-holdet, ledet af Stefan Matile, Aurélien Roux og Suliana Manley, professor ved EPFL Institute of Physics, også medlem af NCCR, transporterede deres kraftprober ind i cellerne og selektivt markerede cellulære organeller. De er nu i stand til at vise, for eksempel, hvordan spændingen stiger i mitokondrier, der begynder at dele sig. "For allerførste gang, fysiske kræfter kan afbildes live inde i cellerne, " siger Aurélien Roux. Dette nye kemiværktøj giver endelig videnskabsfolk mulighed for at opnå det, de har ønsket at gøre i meget lang tid. "Disse nye sonder giver os nu muligheden for at tackle mekanobiologi og revolutionere studiet af biovidenskab, ”siger Stefan Matile.