Johns Hopkins-celbiologen rapporteren wat volgens hen de allereerste creatie is van kleine, op eiwitten gebaseerde gelatine-achtige klonten, hydrogels genaamd, in levende cellen. De mogelijkheid om hydrogels op aanvraag te maken, ze zeggen, zou de lange wetenschappelijke strijd moeten voortzetten om de ongrijpbare structuren te bestuderen - die zich in de natuur vormen wanneer eiwitten of andere moleculen onder bepaalde omstandigheden aggregeren - en om hun vermoedelijke bijdragen aan menselijke ziekten bloot te leggen.

"Het opwindende aan dit werk is niet alleen dat we hydrogels hebben gemaakt, maar dat we nu zijn uitgerust met deze krachtige techniek waarmee we fundamentele - en zeer uitdagende - vragen over hen kunnen stellen, " zegt Takanari Inoue, doctoraat, een universitair hoofddocent celbiologie aan de Johns Hopkins University School of Medicine en senior auteur van het rapport over het onderzoek dat op 6 november online is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen .

Een hydrogel is een vast gelmateriaal dat bij elkaar blijft vanwege de nauwe verbindingen tussen de moleculen, maar ook veel water absorbeert. Door de mens gemaakte hydrogels worden gebruikt in alledaagse producten als contactlenzen, beschikbare luiers en haargels, die hun waterminnende karakter uitbuiten.

In levende cellen, de meeste drijvende structuren zijn omsloten door membranen die hen helpen hun vorm te behouden in het waterige cytoplasma van de cellen. Maar wanneer cellen stress ondergaan - van hitte tot honger of infectie - kunnen eiwitten en ribonucleïnezuur (RNA) -moleculen samenklonteren tot stresskorrels, die vrij zijn van omhullende membranen en vaak kleine klodders vormen die lijken op haargel die in een bak met water is gesuspendeerd.

Sommige onderzoekers hebben de hypothese geopperd dat de accumulatie van deze natuurlijke hydrogels verband kan houden met neurodegeneratieve ziekten, waaronder amyotrofische laterale sclerose (ALS), en dat te veel of te weinig stresskorrels het vermogen van cellen om te functioneren kunnen beïnvloeden. Maar het vinden van bewijs was moeilijk, gedeeltelijk omdat andere soorten hydrogels in cellen normale onderdelen van de celfysiologie kunnen zijn.

"Deze hydrogels missen membranen, dus het is moeilijk om ze te isoleren en te zuiveren, " zegt Inoue. "Ze zijn zo kwetsbaar dat we ze niet zomaar kunnen verzamelen zoals we kunnen met kernen of mitochondriën, "voegt hij eraan toe. Erger nog, hij zegt, wanneer hun omgeving verandert, stresskorrels veranderen van hydrogels naar een ander type structuur, vloeibare druppeltjes genoemd, op dezelfde manier kan haargel oplossen in water als je het opwarmt. Wetenschappers over de hele wereld hebben geprobeerd chemische hydrogels in levende cellen te injecteren om ze te bestuderen. maar meestal worden de cellen ziek, waarschijnlijk als gevolg van de toxiciteit van de chemicaliën.

Om dergelijke studiebarrières te overwinnen, Inoue's team ontwierp een systeem dat ze iPOLYMER noemden, samengesteld uit twee bindende eiwitten, FKBP en FRB, en een immunosuppressieve chemische stof en medicijn genaamd rapamycine. Onderzoekers wisten al dat rapamycine kan worden gebruikt om interacties tussen FKBP en FRB te bemiddelen.

Eerdere studies hadden aangetoond dat zonder aanwezige rapamycine, FKBP en FRB bestaan ​​als afzonderlijke eiwitten, maar zodra rapamycine is toegevoegd, het bindt aan beide, het samentrekken van de eiwitten tot een stevig complex. Het ontwerpen van de eiwitten zodat ze de juiste fysieke structuur voor hydrogels zouden vormen, kostte veel vallen en opstaan, zegt Inoué.

Om iPOLYMER in levende cellen te maken, de onderzoekers ontwikkelden cellen om twee soorten eiwitstrings te bevatten, samengesteld uit tandem FKBP's en FRB's, en vervolgens rapamycine toegevoegd, die gewoonlijk niet wordt gevonden in levende cellen. Door deze cellen onder een microscoop te bekijken terwijl ze rapamycine toevoegden, Inoue's team zag hydrogels ontstaan.

"Voor zover we weten, dit is de eerste keer dat iemand op deze manier een hydrogel in een levende cel heeft gemaakt, ' zegt Inoue.

De wetenschappers passen nu het iPOLYMER-systeem aan zodat de hydrogels RNA-moleculen in hun structuren integreren, waardoor ze beter lijken op de stresskorrels die in menselijke cellen worden gezien. De wetenschappers willen ook een systeem creëren waarin de eiwitten, FKBP en FRB, vormen vloeibare druppeltjes zodat ze de effecten van de vloeibare druppeltjes en hydrogelvormen van de eiwitstructuren kunnen vergelijken.