hechtende cellen, het soort dat de architectuur vormt van alle meercellige organismen, zijn mechanisch ontworpen met precieze krachten waardoor ze kunnen bewegen en zich aan dingen kunnen houden. Eiwitten die integrinereceptoren worden genoemd, werken als kleine handen en voeten om deze cellen over een oppervlak te trekken of ze op hun plaats te verankeren. Wanneer groepen van deze cellen in een petrischaal met een verscheidenheid aan substraten worden geplaatst, kunnen ze de verschillen in de oppervlakken voelen en zullen ze "kruipen" naar de stijfste die ze kunnen vinden.

Nu hebben scheikundigen een methode bedacht die gebruik maakt van op DNA gebaseerde spanningsprobes om op moleculair niveau in te zoomen en deze fenomenen te meten en in kaart te brengen:hoe cellen hun omgeving mechanisch waarnemen, migreren en zich aan dingen houden.

Natuurcommunicatie het onderzoek gepubliceerd, geleid door het laboratorium van Khalid Salaita, assistent-professor biomoleculaire chemie aan Emory University. Co-auteurs zijn onder meer mechanische en biologische ingenieurs van Georgia Tech.

Met behulp van hun nieuwe methode, de onderzoekers lieten zien hoe de krachten die door fibroblastcellen worden uitgeoefend, daadwerkelijk op het individuele molecuulniveau worden verdeeld. "We ontdekten dat elk van de integrinereceptoren aan de omtrek van cellen in feite de mechanica van zijn omgeving 'voelt', " zegt Salaita. "Als het oppervlak dat ze voelen zachter is, ze zullen het losmaken en als het stijver is, ze zullen binden. Ze planten hun stokken graag in vaste grond."

Elke cel heeft duizenden van deze integrinereceptoren die het celmembraan overspannen. Celbiologen zijn al lang gefocust op de chemische aspecten van hoe integrinereceptoren de omgeving voelen en ermee omgaan, terwijl het begrip van de mechanische aspecten achterbleef. Cellulaire mechanica is een relatief nieuw maar groeiend vakgebied, waarbij ook biofysici betrokken zijn, ingenieurs, chemici en andere specialisten.

"Veel goede en slechte dingen die in het lichaam gebeuren, worden gemedieerd door deze integrinereceptoren, alles van wondgenezing tot uitgezaaide kanker, dus het is belangrijk om een ​​vollediger beeld te krijgen van hoe deze mechanismen werken, ' zegt Salaita.

Het Salaita-lab ontwikkelde eerder een fluorescentiesensortechniek om mechanische krachten op het oppervlak van een cel te visualiseren en te meten met behulp van flexibele polymeren die werken als kleine veertjes. Deze veren zijn aan beide uiteinden chemisch gemodificeerd. Het ene uiteinde krijgt een op fluorescentie gebaseerde inschakelsensor die zich zal binden aan een integrinereceptor op het celoppervlak. Het andere uiteinde is chemisch verankerd aan een microscoopglaasje en een molecuul dat de fluorescentie dooft. Als er kracht op de polymeerveer wordt uitgeoefend, het strekt zich uit. De afstand tot de quencher neemt toe en het fluorescerende signaal gaat aan en wordt helderder. Het meten van de hoeveelheid uitgestraald fluorescerend licht bepaalt de hoeveelheid kracht die wordt uitgeoefend.

Yun Zhang, een co-auteur van de Natuurcommunicatie paper en een afgestudeerde student in het Salaita-lab, kwam op het idee om moleculaire DNA-bakens te gebruiken in plaats van flexibele polymeren. "Ze was nieuw in het lab en bracht een nieuw perspectief, ' zegt Salaita.

De moleculaire bakens zijn korte stukjes in het laboratorium gesynthetiseerd DNA, elk bestaande uit ongeveer 20 basenparen, gebruikt in klinische diagnostiek en onderzoek. De bakens worden vanwege hun vorm DNA-haarspelden genoemd.

De thermodynamica van DNA, de dubbelstrengige helixstructuur en de energie die nodig is om het te vouwen zijn goed begrepen, het maken van de DNA-haarspelden meer verfijnde instrumenten voor het meten van kracht. Een ander belangrijk voordeel is het feit dat hun uiteinden constant op dezelfde afstand van elkaar liggen, Salaita zegt, in tegenstelling tot de willekeurige spoelen van flexibele polymeren.

Bij experimenten, de DNA-haarspelden bleken meer als een tuimelschakelaar te werken dan als een dimmerschakelaar. "De op polymeer gebaseerde spanningssondes ontspannen zich geleidelijk en worden helderder naarmate er meer kracht wordt uitgeoefend, " zegt Salaita. "In tegenstelling, DNA-haarspelden bewegen niet totdat je een bepaalde hoeveelheid kracht uitoefent. En als die kracht eenmaal is toegepast, ze beginnen open te ritsen en blijven maar ontrafelen."

In aanvulling, konden de onderzoekers de krachtconstante van de DNA-haarspelden kalibreren, waardoor ze zeer afstembaar zijn, digitale instrumenten voor het berekenen van de hoeveelheid kracht die door een molecuul wordt uitgeoefend, tot op het piconewton-niveau.

"De zwaartekracht op een appel is ongeveer één Newton, dus we hebben het over een miljoen-miljoenste daarvan, "zegt Salaita. "Het is een beetje verbijsterend dat je zo weinig kracht nodig hebt om een ​​stukje DNA te ontvouwen."

Het resultaat is een spanningssonde die drie keer gevoeliger is dan de polymeersondes.

In een apart blad, gepubliceerd in Nano-letters , het Salaita-lab gebruikte de op DNA gebaseerde sondes om te experimenteren met hoe de dichtheid van een substraat de uitgeoefende kracht beïnvloedt. "Intuïtief zou je kunnen denken dat een minder dichte omgeving, biedt minder ankerpunten, zou resulteren in meer kracht per anker, " zei Salaita. "We ontdekten dat het eigenlijk het tegenovergestelde is:je gaat minder kracht per anker zien."

Het mechanisme van het detecteren van de ligandafstand en het hechten aan een substraat lijkt krachtgemedieerd te zijn, hij zegt. "De integrine-receptoren moeten dicht bij elkaar worden geplaatst, zodat de motor in de cel die kracht genereert, ermee in aanraking kan komen en de kracht kan uitoefenen."

Nu gebruiken de onderzoekers de op DNA gebaseerde tools die ze hebben ontwikkeld om de krachten van meer gevoelige cellulaire paden en receptoren te bestuderen.

"Integrine-receptoren zijn een soort beesten, ze oefenen relatief hoge krachten uit om aan de extracellulaire matrix te hechten, " zegt Salaita. "Er zijn veel verschillende celreceptoren die veel zwakkere krachten uitoefenen."

T-cellen, bijvoorbeeld, zijn witte bloedcellen waarvan de receptoren niet gericht zijn op adhesie maar op activiteiten zoals het onderscheiden van een vriendelijk zelf-peptide van een vreemd bacterieel peptide.

Het Salaita-lab werkt samen met medische onderzoekers in Emory om de rol van cellulaire mechanica in het immuunsysteem te begrijpen, bloedstolling en neurale patronen van axonen.

"In principe, ons uitgangspunt is dat mechanica een rol spelen in bijna alle biologische processen, en met deze op DNA gebaseerde spanningsprobes gaan we ontdekken, meet en breng die krachten in kaart, ' zegt Salaita.