Met behulp van een ultrasnelle atoomkrachtmicroscoop, een team van onderzoekers van de Universiteit van Basel heeft voor het eerst 'levende' kernporiëncomplexen aan het werk gefilmd. Kernporiën zijn moleculaire machines die het verkeer regelen dat de celkern binnenkomt of verlaat. In hun artikel gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , de onderzoekers leggen uit hoe de doorgang van ongewenste moleculen wordt voorkomen door snel bewegende moleculaire "tentakels" in de porie.

De atoomkrachtmicroscoop (AFM) is geen microscoop om doorheen te kijken. Zoals een blinde zijn vingers gebruikt, het "voelt" een oppervlak met een extreem fijne punt om kleine celstructuren van slechts een miljoenste millimeter groot op te lossen, zoals de poriën in de nucleaire envelop. Echter, dit proces is normaal gesproken traag en kan tot een minuut duren om een ​​afbeelding vast te leggen. In vergelijking, moderne high-speed AFM's zijn in staat om films van moleculen in actie op te nemen door enkele honderden beelden per minuut vast te leggen.

Met behulp van snelle AFM, Roderick Lim, Argovia Professor aan het Biozentrum en het Zwitserse Nanoscience Institute van de Universiteit van Basel, heeft niet alleen direct de selectieve barrière van de kernporie gevisualiseerd, maar ook het dynamische gedrag ervan om een ​​al lang bestaand mysterie op te lossen over hoe wordt voorkomen dat ongewenste moleculen de kern binnendringen.

Kernporiëncomplexen reguleren het transport van moleculen

De algemene structuur van de kernporiën is algemeen bekend. Dit zijn geen simpele gaten, maar het zijn enorme transportknooppunten die bij duizenden in het kernmembraan worden opgenomen. Ze hebben een donutvormige structuur die bestaat uit ongeveer dertig verschillende eiwitten, nucleoporines genoemd, en een centraal transportkanaal. Binnen de porie, verschillende ongeordende eiwitten (FG Nups) vormen een selectiviteitsbarrière of filter. Hoewel kleine moleculen deze barrière gemakkelijk kunnen passeren, grote moleculen zoals eiwitten worden verhinderd de kernporie binnen te gaan. Een uitzondering hierop zijn de eiwitten die nodig zijn in de celkern, bijvoorbeeld, voor de reparatie of replicatie van genetisch materiaal. Hun translocatie van het cytoplasma naar de kern wordt ondersteund door transportreceptoren die een specifiek "adreslabel" herkennen dat door deze eiwitten wordt gedragen.

High-speed AFM onthult dynamische processen

"Met de snelle AFM konden we voor het eerst, tuur binnen in inheemse kernporiëncomplexen, slechts veertig nanometer groot", zegt Lim. "Deze methode is een echte gamechanger. We konden de individuele FG Nups zien en in actie filmen. Dit was tot nu toe niet mogelijk!"

Aanvullend, Yusuke Sakiyama, de promovendus die de experimenten heeft uitgevoerd, moest op elke hogesnelheidssonde superscherpe koolstofnanovezels laten groeien om in de NPC te komen. Dit genereert vervolgens een videosequentie van meerdere afbeeldingen waarmee de onderzoeker de "levensechte" dynamiek van biologische processen op nanometerniveau kan observeren.

Een barrière van golvende moleculaire "tentakels"

Door de hoge ruimtelijke en temporele resolutie, de wetenschappers konden aantonen dat de FG Nup-filamenten zeer flexibel zijn. "Het zijn geen stijve borstelharen, maar integendeel. Zoals de dunste tentakels, de FG Nups fluctueren snel, verlengen en intrekken, en soms zelfs kort vermengen in de porie", zegt Lim. De snelheid van hun beweging bepaalt welke moleculen door de porie kunnen gaan. "Grote deeltjes bewegen veel langzamer dan de FG Nups en worden dus verhinderd om de NPC binnen te gaan door herhaalde botsingen", legt Lim uit. "Kleine moleculen, echter, snelle diffusie ondergaan en een grote kans hebben om de FG Nup-barrière te passeren."

Door te begrijpen hoe NPC's functioneren als transportknooppunten in levende cellen, Lim, lid van de NCCR Molecular Systems Engineering, onderzoekt nu hoe NPC-geïnspireerde selectieve filters moleculair verkeer in niet-biologische systemen kunnen reguleren.