Op het oppervlak van onze biljoenen cellen beweegt een complexe menigte moleculen, praten met elkaar, zich af en toe afzonderen, en het activeren van basisfuncties, variërend van pijnsensatie tot insulineafgifte.

De structuren die deze microscopisch kleine verkeersopstopping organiseren, zijn niet langer onzichtbaar, dankzij onderzoekers van de Colorado State University. Een multidisciplinair team van biofysici en biochemici met één molecuul heeft licht geworpen op een lang verduisterd cellulair proces:de relatie van een zoogdiercelmembraan met een steiger eronder, het corticale actine cytoskelet. Voor de eerste keer, het CSU-team heeft real-time observaties gedaan van dit cytoskelet dat fungeert als een barrière die eiwitten op het celoppervlak organiseert, effectief verkeersagent spelen op de membraanactiviteiten van de cel.

De baanbrekende visualisatie en analyse van dit meest fundamentele biologische proces - hoe een celmembraan interageert met zijn intracellulaire omgeving en cellulaire functies regelt - werd gezamenlijk bereikt door de laboratoria van Diego Krapf, universitair hoofddocent elektrische en computertechnologie en biomedische technologie, en Michael Tamkun, hoogleraar biomedische wetenschappen aan het College voor Diergeneeskunde en Biomedische Wetenschappen, en van de biochemie, aan de Hogeschool voor Natuurwetenschappen. De studie van de onderzoekers zal verschijnen in een volgende editie van Fysieke beoordeling X , met eerste auteur Sanaz Sadegh, een doctoraat student in het laboratorium van Krapf.

In hun studie hebben de onderzoekers gebruikten een krachtige superresolutie-beeldvormingstechnologie genaamd photoactivated localization microscopy (PALM), die, door de natuurlijke diffractielimiet van licht te omzeilen, stelt wetenschappers in staat om scherpe foto's en video's te maken van biologische processen op nanoschaal. Superresolutiemicroscopie was het onderwerp van de Nobelprijs voor de Scheikunde 2014.

De CSU-onderzoekers richtten zich op de bewegingen van kaliumionkanalen, een type eiwit dat cruciaal is voor cellulaire functies op het celoppervlak, en hoe deze ionkanalen interageren met het corticale actine-cytoskelet. Het cytoskelet is een spinnenwebachtig netwerk van filamenten net onder het celmembraan dat de cel een deel van zijn vorm en structuur geeft. Wetenschappers hadden eerder de hypothese geopperd dat het cytoskelet een cruciale rol speelt bij het helpen van de membraaneiwitten die het celoppervlak bedekken, zichzelf organiseren en signalen doorgeven om de cel gezond en functionerend te houden. Maar visueel vastleggen van deze actine-eiwit interactie in levende cellen was onmogelijk geweest.

"Eiwitten op het celoppervlak, zoals ionenkanalen, veel massa hebben die in de cel hangt, " legde Tamkun uit. "Het is die intracellulaire massa die botst met het actinenetwerk."

Met behulp van een speciaal ontworpen superresolutiemicroscoop, de onderzoekers maakten filmpjes die de exacte momenten vastlegden waarop de ionenkanalen in botsing kwamen met het actinenetwerk. Bovendien, ze voerden statistische analyses uit op deze bewegingen om bewijs te leveren van de belangrijkste structurele elementen van de actine. Het corticale actinenetwerk in een cel is een fractal, wat betekent dat het structureel vergelijkbaar is op verschillende lengteschalen.

"De fractale aard van het actinenetwerk verklaart onze metingen, " zei Sadegh. "Het leidt ons tot de vraag waarom we zoveel fractals in de natuur zien. Is het een efficiënte manier om functies te organiseren? Het is een interessante vraag voor toekomstige studies."

De analyse van de CSU-onderzoekers toonde aan dat de willekeurige bewegingen van de celmembraaneiwitten verfijnde patronen vertonen. Een van hun waarnemingen was dat de eiwitten de neiging hadden terug te stuiteren naar de plaatsen die ze eerder hadden bezocht. Voor de eerste keer, de CSU-onderzoekers leverden statistisch en visueel bewijs dat deze bounce-back direct wordt veroorzaakt door de fractale aard van de actine.

De belangrijkste technische uitdaging was het bereiken van afbeeldingen met een hoge resolutie in zeer korte tijdreeksen, volgens Krap. "Als we 10 seconden wachten, het celcytoskelet verandert, dus we moeten het snel in beeld hebben. We gebruikten intervallen van twee seconden, en binnen die seconden moesten we een ruimtelijke resolutie verkrijgen die hoog genoeg was om botsingen tussen individuele membraaneiwitten en de actinestructuur te zien."

De onderzoekers willen alles weten over het celmembraan, want zo communiceert de cel met zijn buitenomgeving, en het kan de sleutel zijn tot ziekteprogressie en andere aspecten van de menselijke gezondheid. "Het is belangrijk voor ons om te begrijpen hoe de cel zijn membraan organiseert om dingen op de plaatsen te houden waar ze moeten zijn, " zei Sadegh. Ze suggereerde dat toekomstige studies zich zouden kunnen concentreren op specifieke plaatsen op het membraan - bijvoorbeeld waar endocytose plaatsvindt - en hoe het actinenetwerk de gelokaliseerde activiteit reguleert.