Biofysici van de Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) in München hebben aangetoond dat een fenomeen dat bekend staat als diffusioforese, wat kan leiden tot een gericht deeltjestransport, kan voorkomen in biologische systemen.

Om hun biologische functies uit te voeren, cellen moeten ervoor zorgen dat hun logistieke schema's soepel worden uitgevoerd, zodat de benodigde moleculaire ladingen op tijd op hun beoogde bestemming worden afgeleverd. De meeste bekende transportmechanismen in cellen zijn gebaseerd op specifieke interacties tussen de te vervoeren lading en de energieverslindende motoreiwitten die de lading naar de bestemming brengen. Een groep onderzoekers onder leiding van LMU-natuurkundige Erwin Frey (Chair of Statistical and Biological Physics) en Petra Schwille van het Max Planck Institute for Biochemistry heeft nu voor het eerst aangetoond dat er een vorm van gericht transport van deeltjes kan plaatsvinden in cellen, zelfs in de afwezigheid van moleculaire motoren. Verder, dit mechanisme kan de getransporteerde deeltjes sorteren op grootte, zoals het team meldt in het laatste nummer van Natuurfysica.

Het onderzoek richt zich op het MinDE-systeem van de bacterie E. coli, wat een gevestigd en belangrijk model is voor de vorming van biologische patronen. De twee eiwitten MinD en MinE oscilleren tussen de polen van de staafvormige cel en hun onderlinge interactie op het celmembraan beperkt uiteindelijk het vlak van celdeling tot het centrum van de cel. In dit geval, de onderzoekers reconstrueerden het patroonvormende MinDE-systeem in de reageerbuis, met behulp van de gezuiverde Min-eiwitten en kunstmatige membranen. Zoals verwacht van eerdere experimenten, toen het energierijke molecuul ATP aan dit systeem werd toegevoegd, de Min-eiwitten recapituleerden het oscillerende gedrag dat wordt gezien in bacteriële cellen. Belangrijker, de onderzoekers toonden verder aan dat veel verschillende soorten moleculen kunnen worden gevangen in de oscillerende golven terwijl ze de membranen doorkruisen - zelfs moleculen die niets te maken hebben met patroonvorming en die helemaal niet in cellen worden aangetroffen.

Een sorteermachine voor DNA-origami

Om het transportmechanisme in meer detail te analyseren, het team wendde zich tot ladingen die bestonden uit DNA-origami, en kan worden verankerd aan het membraan. Deze strategie maakt het mogelijk om moleculaire structuren van verschillende groottes en vormen te creëren, gebaseerd op programmeerbare basenparende interacties tussen DNA-strengen. "Deze experimenten toonden aan dat deze manier van transport afhankelijk is van de grootte van de lading, en dat MinD zelfs structuren kan sorteren op basis van hun grootte, " zegt Beatrice Ramm, een postdoc op de afdeling van Petra Schwille en gezamenlijke eerste auteur van de nieuwe studie.

Met behulp van theoretische analyses, Frey's groep ging verder met het identificeren van het onderliggende transportmechanisme als diffusioforese - de gerichte beweging van deeltjes langs een concentratiegradiënt. In het Min-systeem, de wrijving tussen de lading en de diffunderende Min-eiwitten is verantwoordelijk voor het transport van de vracht. Dus, de cruciale factor in deze context is niet een specifieke reeks biochemische interacties - zoals in het geval van transport via motoreiwitten in biologische cellen - maar de effectieve grootte van de betrokken deeltjes. "Deeltjes die sterker worden beïnvloed door wrijving, vanwege hun grote formaat, worden ook verder getransporteerd, dat is de sortering op grootte, " zegt Andriy Goychuk, tevens mede-eerste auteur van het artikel.

Met deze resultaten, het team heeft de betrokkenheid aangetoond van een puur fysieke (in tegenstelling tot een biologische) vorm van transport op basis van diffusioforese in een biologisch patroonvormend systeem. "Dit proces is zo eenvoudig en fundamenteel dat het waarschijnlijk lijkt dat het ook een rol speelt in andere cellulaire processen, en misschien zelfs gebruikt zijn in de vroegste cellen bij de oorsprong van het leven, " zegt Frey. "En in de toekomst, het zou ook mogelijk kunnen zijn om er gebruik van te maken om moleculen op specifieke plaatsen in kunstmatige minimale cellen te positioneren, " hij voegt toe.