En ny form for cellulær logistik

Biofysikere fra Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München har vist, at et fænomen kendt som diffusiophoresis, som kan føre til en rettet partikeltransport, kan forekomme i biologiske systemer.

For at udføre deres biologiske funktioner, celler skal sikre, at deres logistiske tidsplaner implementeres gnidningsløst, sådan, at de nødvendige molekylære laster leveres til deres påtænkte destinationer til tiden. De fleste af de kendte transportmekanismer i celler er baseret på specifikke interaktioner mellem den last, der skal transporteres, og de energiforbrugende motorproteiner, der transporterer lasten til dens destination. En gruppe forskere under ledelse af LMU -fysikeren Erwin Frey (formand for statistisk og biologisk fysik) og Petra Schwille fra Max Planck Institute for Biochemistry har nu for første gang vist, at en form for direkte transport af partikler kan finde sted i celler, selv i mangel af molekylære motorer. Desuden, denne mekanisme kan sortere de transporterede partikler efter deres størrelse, som holdet beretter i det seneste nummer af Naturfysik.

Undersøgelsen fokuserer på MinDE -systemet fra bakterien E. coli, som er en etableret og vigtig model for biologisk mønsterdannelse. De to proteiner MinD og MinE svinger mellem polerne i den stavformede celle, og deres indbyrdes interaktion på cellemembranen begrænser i sidste ende celledelingsplanet til cellens centrum. I dette tilfælde, forskerne rekonstruerede det mønsterdannende MinDE-system i reagensglasset, ved hjælp af de oprensede Min-proteiner og kunstige membraner. Som forventet fra tidligere forsøg, da det energirige molekyle ATP blev tilføjet til dette system, Min-proteinerne rekapitulerede den oscillerende adfærd set i bakterieceller. Vigtigere, forsøgslederne fortsatte med at demonstrere, at mange forskellige slags molekyler kunne blive fanget i de oscillerende bølger, når de krydsede membranerne – selv molekyler, der ikke har noget at gøre med mønsterdannelse og slet ikke findes i celler.

En sorteringsmaskine til DNA-origami

For at analysere transportmekanismen mere detaljeret, holdet henvendte sig til laster, der bestod af DNA origami, og kunne forankres til membranen. Denne strategi gør det muligt at skabe molekylære strukturer af varierende størrelser og former, baseret på programmerbare baseparrende interaktioner mellem DNA-strenge. "Disse forsøg viste, at denne transportform afhænger af lastens størrelse, og at MinD endda kan sortere strukturer på grundlag af deres størrelse, " siger Beatrice Ramm, postdoc i Petra Schwilles afdeling og fælles førsteforfatter på det nye studie.

Ved hjælp af teoretiske analyser, Freys gruppe fortsatte med at identificere den underliggende transportmekanisme som diffusioforese - den rettede bevægelse af partikler langs en koncentrationsgradient. I Min -systemet, friktionen mellem lasten og de diffunderende Min -proteiner er ansvarlig for godstransporten. Dermed, den afgørende faktor i denne sammenhæng er ikke et specifikt sæt af biokemiske interaktioner - som i tilfælde af transport via motoriske proteiner i biologiske celler - men de effektive størrelser af de involverede partikler. "Partikler, der er stærkere påvirket af friktion, på grund af deres store størrelse, bliver også transporteret videre - det er det, der står for sortering på basis af størrelse, " siger Andriy Goychuk, også fælles første forfatter til papiret.

Med disse resultater, holdet har demonstreret involvering af en rent fysisk (i modsætning til en biologisk) form for transport baseret på diffusioforese i et biologisk mønsterdannende system. "Denne proces er så enkel og grundlæggende, at det forekommer sandsynligt, at den også spiller en rolle i andre cellulære processer, og måske endda have været ansat i de tidligste celler ved livets oprindelse, "siger Frey." Og i fremtiden, det kan også være muligt at gøre brug af det til at placere molekyler på bestemte steder i kunstige minimale celler, " tilføjer han.