Forskere udvikler nyt værktøj til undersøgelse af rumlige mønstre i levende celler

(PhysOrg.com) -- Fodbold er ofte blevet kaldt "et spil på tommer, men biologi er et spil om nanometer, hvor rumlige forskelle på kun få nanometer kan bestemme en celles skæbne – om den lever eller dør, forbliver normal eller bliver kræftfremkaldende. Forskere fra det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har udviklet en ny og bedre måde at studere virkningen af ​​rumlige mønstre på levende celler.

Berkeley Lab-kemiker Jay Groves ledede en undersøgelse, hvor kunstige membraner, der består af et flydende dobbeltlag af lipidmolekyler, blev indlejret med faste arrays af guldnanopartikler for at kontrollere afstanden mellem proteiner og andre cellulære molekyler placeret på membranerne. Dette gav forskerne en hidtil uset mulighed for at studere, hvordan de rumlige mønstre af kemiske og fysiske egenskaber på membranoverflader påvirker cellernes adfærd.

"Guldnanopartiklerne ligner størrelsen af ​​et enkelt proteinmolekyle, hvilket bringer os til en skala, vi ikke rigtig kunne få adgang til før, ” siger Groves. "Som det første eksempel på en biologisk membranplatform, der kombinerer fast nanomønster med mobiliteten af ​​flydende lipid-dobbeltlag, vores teknik repræsenterer en vigtig forbedring i forhold til tidligere mønstermetoder."

Groves har fælles aftaler med Berkeley Lab's Physical Biosciences Division og University of California (UC) Berkeley's Chemistry Department, og er en Howard Hughes Medical Institute (HHMI) efterforsker. Han er den tilsvarende forfatter til et papir, der rapporterer disse resultater i tidsskriftet Nano bogstaver . Papiret har titlen "Understøttede membraner indlejret med faste arrays af guldnanopartikler."

Rumlig mønsterdannelse af kemiske og fysiske egenskaber på kunstige membraner af lipid-dobbeltlag er en tidstestet måde at studere opførsel af dyrkede biologiske celler. Naturlige lipid-dobbeltlagsmembraner omgiver stort set alle levende celler såvel som mange af strukturerne inde i cellen inklusive kernen. Disse membraner udgør en barriere, der begrænser bevægelsen af ​​proteiner og andre cellulære molekyler, at sætte dem ind på deres rette steder og forhindre dem i at bevæge sig ind i områder, hvor de ikke hører hjemme. Tidligere rumlige mønsterbestræbelser på kunstige membraner er blevet udført på alt-eller-intet-basis - proteiner placeret på en membran havde enten fuldstændig mobilitet eller blev fikseret i en statisk position.

"Immobilt mønster besejrer i bund og grund enhver cellulær proces, der naturligt involverer bevægelse, " siger Groves. "På den anden side skal vi være i stand til at pålægge nogle faste barrierer for at manipulere membraner på virkelig nye måder."

Groves er en anerkendt leder i udviklingen af ​​unikke "understøttede" syntetiske membraner, der er konstrueret af lipider og samlet på et substrat af fast silica. Han og hans gruppe har brugt disse understøttede membraner til at demonstrere, at levende celler ikke kun interagerer med deres miljø gennem kemiske signaler, men også gennem fysisk kraft.

"Vi kalder vores tilgang for den rumlige mutationsstrategi, fordi molekyler i en celle kan rumligt omarrangeres uden at ændre cellen på nogen anden måde, ” siger han.

Imidlertid, indtil nu var Groves og hans gruppe ude af stand til at komme til de snesevis af nanometer længdeskalaer, som de nu kan nå ved at indlejre deres understøttede membraner med guld nanopartikler.

"Vores nye membraner giver en hybrid grænseflade bestående af mobile og immobile komponenter med kontrolleret geometri, " siger Groves. "Proteiner eller andre cellulære molekyler kan være forbundet med den flydende lipidkomponent, den faste nanopartikelkomponent, eller begge dele."

Guld nanopartikel arrays blev mønstret gennem en selvsamlingsproces, der giver kontrollerbar afstand mellem partikler i arrayet i det vigtige område fra 50 til 150 nanometer. Selve guldnanopartiklerne måler omkring fem til syv nanometer i diameter.

Groves og hans team testede med succes deres hybridmembraner på en linje af brystkræftceller kendt som MDA-MB-231, som er meget invasiv. Med deres hybride membraner, holdet viste, at i fravær af celleadhæsionsmolekyler, membranen forblev stort set fri for kræftcellerne, men når både nanopartiklerne og lipidet blev funktionaliseret med molekyler, der fremmer celleadhæsion, kræftcellerne blev fundet over hele overfladen.

Groves og hans forskergruppe bruger nu deres guld nanopartikelmembraner til at studere både cancermetastaser og T-celleimmunologi. De forventer at rapportere deres resultater snart.