Cellen moeten reageren op veranderingen in de omgeving en een uitgebalanceerd systeem van signaalcascades in de cel handhaven. Eiwitten buiten de cel, op het celoppervlak, in het celmembraan, en binnen de cel orkestreren vele nauwkeurig afgestemde signaalroutes, die resulteren in reacties op omgevingscondities of veranderingen in het organisme zelf. De spatio-temporele organisatie van cellulaire processen zoals celsignalering, celpolarisatie en neurietuitgroei worden vaak gereguleerd door de subcellulaire distributie van moleculen of organellen.

Individuele eiwitten kunnen verschillende functies vervullen wanneer ze zich op verschillende subcellulaire locaties bevinden. Een voorbeeld is Rac1-eiwit, die de vorm van het skelet van de cel bij het intracellulaire plasmamembraan regelt, maar wanneer het zich in de kern lokaliseert, het regelt de nucleaire morfologie. Het nucleocytoplasmatisch pendelen van Rac1 speelt een belangrijke rol bij tumorinvasie. In neuronen, het bidirectionele transport langs axonale microtubuli speelt een cruciale rol bij de juiste subcellulaire distributie van organellen. De misregulatie ervan is betrokken bij neurodegeneratieve ziekten. Echter, de analyse van complexe processen waarbij fietsen betrokken is, mensenhandel of pendelen van signaalmoleculen/organellen tussen celcompartimenten blijft een grote uitdaging.

De groep van Yaowen Wu, professor aan de afdeling Scheikunde aan de Universiteit van Umeå, heeft nu een nieuwe technologie ontwikkeld genaamd Multi-directionele Activity Control (MAC), die live studies van celsignaleringsprocessen mogelijk maakt. De onderzoekers zijn pioniers in het ontwikkelen van methoden voor realtime observatie van cellulaire mechanismen onder gecontroleerde omstandigheden. Ze gebruikten een fotoactiveerbaar, dual-chemisch geïnduceerde dimerisatie (pdCID) systeem om de positionering van organellen en eiwitten op meerdere locaties in een enkele cel te regelen. Dit systeem combineert twee chemische reacties die eiwitdimeren vormen in een enkele cel. Een van hen kan worden bestuurd door licht.

"We hebben aangetoond dat ons fotoactiveerbare en chemisch geïnduceerde dimerisatiesysteem kan worden gebruikt om de functie van cellulaire organellen en cellulaire signaalroutes in een enkele cel op een nauwkeurig afgestemd en meerlagig niveau te regelen, wat voorheen niet mogelijk was met bestaande methoden. We hebben twee modulaire systemen op een parallelle of competitieve manier gecombineerd om multidirectionele controle over eiwit- of organelactiviteit door kleine moleculen en licht mogelijk te maken, " zegt Yaowen Wu, die net zijn nieuwe lab aan het opzetten is in het noorden van Zweden.

De onderzoeksgroep toonde ook aan dat de nieuwe technologie zeer snelle inductie en observaties van verschillende cellulaire reacties mogelijk maakt, en maakt nieuwe verstoringsstudies mogelijk die niet mogelijk waren met behulp van traditionele genetische benaderingen.

Met behulp van deze methode, de wetenschappers voerden meerdere cycli van Rac1-pendelbewegingen uit tussen het cytosol, plasmamembraan en kern in een enkele cel. Ze kunnen het transport van peroxisomen (een cellulair organel dat betrokken is bij de oxidatie van moleculen) in twee richtingen regelen, d.w.z. naar de celperiferie en vervolgens naar het cellichaam, en vice versa. Dit is als een spelletje pool spelen in de cel, maar op micrometerschaal.

De MAC-benadering kan ook worden gebruikt om ziektetoestanden na te bootsen of te verstoren waarbij de positionering van eiwitten/organellen betrokken is om pathogene mechanismen te bestuderen, en uiteindelijk helpen bij de ontwikkeling van hun therapeutische interventie. De studie is gepubliceerd in Angewandte Chemie .