AFM filmer levende nukleare porekomplekser på arbejde for første gang

Ved hjælp af et ultrahurtigt scannende atomkraftmikroskop, et team af forskere fra universitetet i Basel har for første gang filmet "levende" nukleare porekomplekser på arbejde. Nukleare porer er molekylære maskiner, der styrer trafikken, der kommer ind eller ud af cellekernen. I deres artikel offentliggjort i Natur nanoteknologi , forskerne forklarer, hvordan passage af uønskede molekyler forhindres ved hurtigt at flytte molekylære "tentakler" inde i poren.

Atomkraftmikroskopet (AFM) er ikke et mikroskop at se igennem. Som en blind mand bruger sine fingre, det "føler" en overflade med en ekstremt fin spids til at løse små mobilstrukturer på kun en milliontedel af en millimeter i størrelse, såsom porerne i den nukleare kappe. Imidlertid, denne proces er normalt langsom og kan tage op til et minut at tage et billede. Sammenlignet med, moderne high-speed AFM'er er i stand til at optage film af molekyler i aktion ved at tage flere hundrede billeder i minuttet.

Brug af højhastigheds AFM, Roderick Lim, Argovia professor ved Biozentrum og Swiss Nanoscience Institute ved University of Basel, har ikke kun direkte visualiseret den nukleare pores selektive barriere, men også dens dynamiske adfærd for at løse et mangeårigt mysterium om, hvordan uønskede molekyler forhindres i at komme ind i kernen.

Nukleare porekomplekser regulerer transporten af ​​molekyler

Den overordnede struktur af de nukleare porer er almindelig kendt. Det er ikke simple huller, men er massive transportknudepunkter, der inkorporerer i tusindvis af kernemembranen. De har en donut-formet struktur bestående af omkring tredive forskellige proteiner, kaldet nukleoporiner, og en central transportkanal. Indenfor poren, flere uordnede proteiner (FG Nups) danner en selektivitetsbarriere eller filter. Mens små molekyler nemt kan passere denne barriere, store molekyler såsom proteiner forhindres i at trænge ind i kerneporen. En undtagelse fra dette er de proteiner, der er nødvendige i cellekernen, for eksempel, til reparation eller replikation af genetisk materiale. Deres translokation fra cytoplasmaet til kernen assisteres af transportreceptorer, der genkender et specifikt "adressemærke" båret af disse proteiner.

Højhastigheds-AFM afslører dynamiske processer

"Med højhastigheds-AFM kunne vi for første gang, kigger inde i indfødte nukleare porekomplekser, kun fyrre nanometer i størrelse", siger Lim. "Denne metode er en ægte game changer. Vi kunne se de enkelte FG Nups og filme dem i aktion. Dette var ikke muligt indtil nu!"

Derudover Yusuke Sakiyama, den ph.d.-studerende, der udførte forsøgene, var nødt til at dyrke superskarpe kulstof nanofibre på hver højhastighedssonde for at nå ind i NPC. Dette genererer derefter en videosekvens fra flere billeder, der gør det muligt for forskeren at observere den "sandt til liv" dynamikken i biologiske processer på nanometerniveau.

En barriere af bølgende molekylære "tentakler"

På grund af den høje rumlige og tidsmæssige opløsning, forskerne var i stand til at vise, at FG Nup-filamenterne er meget fleksible. "De er ikke stive børster, men tværtimod. Ligesom de tyndeste fangarme, FG Nups svinger hurtigt, forlænge og trække sig tilbage, og undertiden blander sig kortvarigt i poren ", siger Lim. Hastigheden af ​​deres bevægelse bestemmer, hvilke molekyler der kan passere gennem poren. "Store partikler bevæger sig meget langsommere end FG Nups og forhindres dermed i at komme ind i NPC ved gentagne kollisioner", forklarer Lim. "Små molekyler, imidlertid, gennemgår hurtig diffusion og har stor sandsynlighed for at passere FG Nup-barrieren."

Ved at forstå, hvordan NPC'er fungerer som transportknudepunkter i levende celler, Lim, som er medlem af NCCR Molecular Systems Engineering, undersøger nu, hvordan NPC-inspirerede selektive filtre kan regulere molekylær trafik i ikke-biologiske systemer.