De detectie van fysieke krachten is een van de meest complexe uitdagingen voor de wetenschap. Hoewel Newton het probleem van de zwaartekracht lang geleden heeft opgelost, het in beeld brengen van de fysieke krachten die in levende cellen werken, blijft een van de belangrijkste mysteries van de huidige biologie. Beschouwd als een beslissende rol in veel biologische processen, de chemische instrumenten om de fysieke krachten in actie te visualiseren bestaan ​​niet. Maar vandaag, onderzoekers van de Universiteit van Genève (UNIGE) en het National Center of Competence in Research (NCCR) in Chemical Biology, Zwitserland, hebben sondes ontwikkeld die cellen kunnen binnendringen en levende fysieke krachten kunnen afbeelden. deze resultaten, een keerpunt in de studie van de levenswetenschappen, is te vinden in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

Sinds de oprichting in 2010 een van de centrale doelstellingen van de NCCR Chemische Biologie was het oplossen van het probleem van het detecteren van cellulaire fysieke krachten. "Onze benadering voor het maken van spanningssondes is geïnspireerd op de kleurverandering van garnalen, krabben of kreeften tijdens het koken, " zegt Stefan Matile, professor in de afdeling Organische Chemie van de Faculteit Wetenschappen van de UNIGE en lid van de NCCR.

Bij levende garnalen, de fysieke krachten van de omringende eiwitten vlakken en polariseren het carotenoïde pigment, genaamd astaxanthine, totdat het blauw wordt. "Tijdens het koken, deze eiwitten worden ontvouwd en het kreeftenpigment kan zijn natuurlijke donkeroranje kleur terugkrijgen, " vervolgt de chemicus van Genève. Geïntrigeerd door deze schaaldieren, de ontwikkeling van fluorescerende sondes die werken volgens hetzelfde principe van planarisatie en polarisatie vergde ongeveer acht jaar onderzoek.

Vorig jaar, de NCCR-teams hebben uiteindelijk de eerste fluorescerende sonde geproduceerd die in staat is de krachten op het buitenmembraan in beeld te brengen, het plasmamembraan genoemd, van levende cellen. Verzoeken om monsters van meer dan 50 laboratoria over de hele wereld kwamen als onmiddellijke reactie op de vrijgave van deze resultaten, het belang van deze doorbraak voor life sciences aantoont. Om aan deze vraag te voldoen, De krachtsondes van UNIGE werden eind vorig jaar gelanceerd onder het merk Flipper-TR.

Hoe zit het met de interne krachten van de cellen?

De studie van krachten die buiten de cellen van toepassing zijn, is niet beperkt tot chemische hulpmiddelen voor fluorescentiebeeldvorming. Cellulaire oppervlakken zijn toegankelijk voor fysieke hulpmiddelen zoals micropipetten, optische klemmen, cantilevers van atoomkrachtmicroscopen, enz. "Maar deze fysieke hulpmiddelen zijn duidelijk niet van toepassing op de studie van krachten in cellen, " zegt Aurélien Roux, een professor in de afdeling Biochemie aan de Faculteit Wetenschappen van de UNIGE. "Organellen zoals mitochondriën, verantwoordelijk voor energieproductie; het endoplasmatisch reticulum, verantwoordelijk voor eiwitsynthese; endosomen, verantwoordelijk voor het smokkelen van materiaal naar en binnen cellen; of de kern, die genetische informatie opslaat, zijn gewoon buiten het bereik van fysieke hulpmiddelen van buitenaf." Tot op heden, visualisatie van de krachten die deze organellen in de cellen bedienen en controleren, was nog steeds onmogelijk, hoewel essentieel om hun functie te begrijpen.

Deze fundamentele uitdaging in de life sciences wordt nu aangegaan. Het NCCR-team, onder leiding van Stefan Matile, Aurélien Roux en Suliana Manley, professor aan het EPFL Institute of Physics, tevens lid van de NCCR, transporteerden hun krachtsondes naar de cellen en selectief gemarkeerde cellulaire organellen. Ze kunnen nu laten zien, bijvoorbeeld, hoe de spanning stijgt in mitochondriën die zich beginnen te delen. "Voor de allereerste keer, fysieke krachten kunnen live in de cellen worden afgebeeld, ", zegt Aurélien Roux. Met dit nieuwe chemische hulpmiddel kunnen wetenschappers eindelijk bereiken wat ze al heel lang wilden doen. "Deze nieuwe sondes bieden ons nu de mogelijkheid om mechanobiologie aan te pakken en een revolutie teweeg te brengen in de studie van levenswetenschappen, ' zegt Stefan Matile.