(Phys.org) —Chemische ingenieurs van de Rice University en biofysici van de Georg-August Universität Göttingen in Duitsland en de Vrije Universiteit Amsterdam in Nederland hebben met succes afzonderlijke moleculen in levende cellen gevolgd met koolstofnanobuisjes.

Door deze nieuwe methode de onderzoekers ontdekten dat cellen hun interieur roeren met dezelfde motoreiwitten die dienen voor spiercontractie.

De studie, die nieuw licht werpt op biologische transportmechanismen in cellen, verschijnt deze week in Wetenschap .

Het team bevestigde koolstofnanobuisjes om moleculen, bekend als kinesinemotoren, te transporteren om ze te visualiseren en te volgen terwijl ze door het cytoplasma van levende cellen bewogen.

"Ik sta versteld hoe veelzijdig koolstofnanobuisjes zijn, " zei co-auteur Matteo Pasquali, een Rice hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering en scheikunde. "We gebruiken ze voor een breed scala aan toepassingen, van technische geleidende vezels tot beeldvorming in cellen."

Koolstofnanobuisjes zijn holle cilinders van zuivere koolstof met wanden van één atoom dik. Ze fluoresceren van nature met nabij-infrarode golflengten wanneer ze worden blootgesteld aan zichtbaar licht, een eigenschap die tien jaar geleden bij Rice werd ontdekt door professor Rick Smalley en vervolgens werd gebruikt door Rice Professor Bruce Weisman om koolstofnanobuisjes in beeld te brengen. Wanneer gehecht aan een molecuul, de liftende nanobuisjes dienen als kleine bakens die nauwkeurig kunnen worden gevolgd over een lange periode om kleine, willekeurige bewegingen in cellen.

"Elke sonde die de lengte en breedte van de cel kan koppelen, ruw het, sloppenwijk, strijd tegen verschrikkelijke kansen, winnen en toch weten waar zijn eiwit is, is duidelijk een sonde om rekening mee te houden, " zei hoofdauteur Nikta Fakhri, parafraseren van "The Hitchhiker's Guide to the Galaxy." Fakhri, die in 2011 haar Rice-doctoraat behaalde in het laboratorium van Pasquali is momenteel een Human Frontier Science Program Fellow in Göttingen.

"In feite, de uitzonderlijke stabiliteit van deze sondes maakte het mogelijk om intracellulaire bewegingen van slechts milliseconden tot uren te observeren, " ze zei.

Voor vervoer over lange afstand, zoals langs de lange axonen van zenuwcellen, cellen gebruiken meestal motoreiwitten die aan lipideblaasjes zijn gebonden, de "vrachtcontainers" van de cel. Bij dit proces komt veel logistiek kijken:vracht moet worden ingepakt, aan de motoren bevestigd en in de goede richting gestuurd.

"Dit onderzoek heeft geholpen om een ​​extra, veel eenvoudiger mechanisme voor transport binnen het celinterieur, " zei hoofdonderzoeker Christoph Schmidt, een professor in de natuurkunde in Göttingen. "Cellen roeren zich krachtig, ongeveer zoals een chemicus een reactie zou versnellen door een reageerbuis te schudden. Dit zal hen helpen om objecten te verplaatsen in de zeer drukke cellulaire omgeving."

De onderzoekers toonden aan dat hetzelfde type motoreiwit dat wordt gebruikt voor spiercontractie, verantwoordelijk is voor het roeren. Ze kwamen tot deze conclusie nadat ze de cellen hadden blootgesteld aan medicijnen die deze specifieke motoreiwitten onderdrukten. Uit de proeven bleek dat ook het roeren werd onderdrukt.

Het mechanische cytoskelet van cellen bestaat uit netwerken van eiwitfilamenten, zoals actine. Binnen de cel, het motoreiwit myosine vormt bundels die het actinenetwerk voor korte perioden actief samentrekken. De onderzoekers ontdekten dat willekeurig knijpen van het elastische actinenetwerk door veel myosinebundels resulteerde in de globale interne beweging van de cel. Zowel actine als myosine spelen een vergelijkbare rol bij spiercontractie.

De zeer nauwkeurige metingen van interne fluctuaties in de cellen werden verklaard in een theoretisch model ontwikkeld door VU-co-auteur Fred MacKintosh, die de elastische eigenschappen van het cytoskelet en de krachtopwekkingskenmerken van de motoren gebruikten.

"De nieuwe ontdekking bevordert niet alleen ons begrip van celdynamiek, maar wijst ook op interessante mogelijkheden bij het ontwerpen van 'actieve' technische materialen, " zei Fakhri, die binnenkort aan de faculteit van het Massachusetts Institute of Technology zal werken als assistent-professor natuurkunde. "Stel je een microscopisch biomedisch apparaat voor dat kleine bloedmonsters vermengt met reagentia om ziekten te detecteren of slimme filters die squishy scheiden van stijve materialen."