Kemikere gør cellulære kræfter synlige på molekylær skala

Forskere har udviklet en ny teknik ved hjælp af værktøjer lavet af selvlysende DNA, lyste op som ildfluer, at visualisere de mekaniske kræfter i celler på molekylært niveau. Naturens metoder udgivet værket, ledet af kemikere ved Emory University, som demonstrerede deres teknik på menneskelige blodplader i laboratorieforsøg.

"Normalt, et optisk mikroskop kan ikke producere billeder, der opløser objekter, der er mindre end længden af ​​en lysbølge, hvilket er omkring 500 nanometer, " siger Khalid Salaita, Emory professor i kemi og seniorforfatter af undersøgelsen. "Vi fandt en måde at udnytte de seneste fremskridt inden for optisk billeddannelse sammen med vores molekylære DNA-sensorer til at fange kræfter på 25 nanometer. Den opløsning er beslægtet med at være på månen og se krusningerne forårsaget af regndråber, der rammer overfladen af ​​en sø på Jorden ."

Næsten enhver biologisk proces involverer en mekanisk komponent, fra celledeling til blodkoagulation til opbygning af et immunrespons. "Forståelse af, hvordan celler anvender kræfter og sansekræfter, kan hjælpe i udviklingen af ​​nye terapier for mange forskellige lidelser, " siger Salaita, hvis laboratorium er førende i at udtænke måder at afbilde og kortlægge biomekaniske kræfter.

De første forfattere af papiret, Joshua Brockman og Hanquan Su, udførte arbejdet som Emory-kandidatstuderende i Salaita-laboratoriet. Begge modtog for nylig deres ph.d.

Forskerne forvandlede strenge af syntetisk DNA til molekylære spændingsprober, der indeholder skjulte lommer. Proberne er knyttet til receptorer på en celles overflade. Fritsvævende stykker af DNA mærket med fluorescens tjener som billedre. Mens de uforankrede stykker DNA suser rundt, skaber de lysstriber i mikroskopivideoer.

Når cellen påfører kraft på et bestemt receptorsted, de vedhæftede prober strækker sig ud, hvilket får deres skjulte lommer til at åbne og frigive ranker af DNA, der er gemt indeni. De fritsvævende DNA-stykker er konstrueret til at lægge sig fast på disse DNA-ranker. Når de fluorescerende DNA-stykker lægger sig fast, de er kortvarigt demobiliseret, vises som stillestående lyspunkter i mikroskopivideoerne.

Der tages timers mikroskopi video af processen, derefter fremskyndet for at vise, hvordan lyspunkterne ændrer sig over tid, giver et billede på molekylært niveau af cellens mekaniske kræfter.

Forskerne bruger en ildflueanalogi til at beskrive processen.

"Forestil dig, at du er på en mark en måneløs nat, og der er et træ, som du ikke kan se, fordi det er mørkt, " siger Brockman, som er uddannet fra Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering, et fælles program for Georgia Tech og Emory, og er nu post-doc ved Harvard. "Af en eller anden grund, ildfluer kan virkelig godt lide det træ. Mens de lander på alle grenene og langs træstammen, du kunne langsomt opbygge et billede af træets omrids. Og hvis du var virkelig tålmodig, du kunne endda registrere grenene på træet, der vinker i vinden, ved at registrere, hvordan ildfluerne ændrer deres landingssteder over tid."

"Det er ekstremt udfordrende at afbilde kræfterne i en levende celle i en høj opløsning, " siger Su, som er uddannet fra Emory's Department of Chemistry og nu er post-doc i Salaita-laboratoriet. "En stor fordel ved vores teknik er, at den ikke forstyrrer en celles normale adfærd eller sundhed."

En anden fordel, tilføjer han, er at DNA-baserne af A, G, T og C, som naturligt binder til hinanden på bestemte måder, kan konstrueres i probe-og-billeddannelsessystemet til at kontrollere specificitet og kortlægge flere kræfter på én gang i en celle.

"Ultimativt, vi kan muligvis forbinde forskellige mekaniske aktiviteter i en celle til specifikke proteiner eller til andre dele af cellulært maskineri, " siger Brockman. "Det kan give os mulighed for at bestemme, hvordan vi skal ændre cellen til at ændre og kontrollere dens kræfter."

Ved at bruge teknikken til at afbilde og kortlægge de mekaniske kræfter af blodplader, de celler, der kontrollerer blodkoagulationen på stedet for et sår, forskerne opdagede, at blodplader har en koncentreret kerne af mekanisk spænding og en tynd kant, der kontinuerligt trækker sig sammen. "Vi kunne ikke se dette mønster før, men nu har vi et skarpt billede af det, " siger Salaita. "Hvordan kontrollerer disse mekaniske kræfter trombose og koagulation? Vi vil gerne studere dem mere for at se, om de kunne tjene som en måde at forudsige en koagulationsforstyrrelse."

Ligesom stadig mere kraftfulde teleskoper giver os mulighed for at opdage planeter, stjerner og universets kræfter, højere-powered mikroskopi giver os mulighed for at gøre opdagelser om vores egen biologi.

"Jeg håber, at denne nye teknik fører til bedre måder at visualisere ikke kun aktiviteten af ​​enkeltceller i en laboratorieskål, men for at lære om celle-til-celle interaktioner under faktiske fysiologiske forhold, " siger Su. "Det er som at åbne en ny dør ind til et stort set uudforsket rige - kræfterne inde i os."