Celdeeltjes bewegen sneller door een overvolle cellulaire omgeving wanneer de verdringende moleculen niet-uniform zijn verdeeld. Nieuw onderzoek toont ook aan dat deeltjestransport in overvolle cellen eigenlijk sneller kan zijn dan beweging in een niet-drukke omgeving, zolang de deeltjes zich verplaatsen van dichtbevolkte gebieden naar minder drukke gebieden. Inzicht in de snelheid waarmee deeltjes in deze omgevingen bewegen, kan onderzoekers helpen om cellulaire processen beter te begrijpen waarvoor meerdere moleculen nodig zijn om elkaar te "vinden" in de drukke omgeving van de cel. Een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, door een team van Penn State-wetenschappers, verschijnt online in het tijdschrift ACS Nano .

"Crowding is gebruikelijk in levende systemen op verschillende lengteschalen, van drukke gangen tot dicht cellulair cytoplasma, " zei Ayusman Sen, Verne M. Willaman Professor in de chemie en Distinguished Professor in de chemie en chemische technologie aan Penn State en een van de leiders van het onderzoeksteam. "De binnenkant van cellen is erg, erg vol met eiwitten, macromoleculen en organellen. Moleculen die betrokken zijn bij chemische reacties die de cel nodig heeft, moeten door deze drukke, viskeuze omgeving om hun partnerreagentia te vinden. Als de omgeving uniform druk is, beweging vertraagt, maar we weten dat de binnenkant van een cel niet-uniform is; er zijn gradiënten van macromoleculen en andere soorten. Dus, we waren geïnteresseerd in hoe deze gradiënten het transport op nanoschaal zouden beïnvloeden."

De onderzoekers vergeleken de beweging van verschillende "tracer"-colloïden - onoplosbare deeltjes gesuspendeerd in een vloeistof - door verschillende omgevingen met behulp van microfluïdica. Een microfluïdisch apparaat kan worden gevuld met verschillende oplossingen waarin de onderzoekers gradiënten vaststellen - van hoog naar laag - van 'crowder'-macromoleculen in de vloeistof. de spoorzoekers, die groot of klein kan zijn, hard of zacht en vervormbaar, zijn fluorescent gelabeld waardoor de onderzoekers hun beweging kunnen volgen met een confocale microscoop.

"We waren verrast om te zien dat de tracers sneller bewogen in gradiënten van crowders dan door een vloeistof zonder crowders, " zei Farzad Mohajerani, een afgestudeerde student in chemische technologie aan Penn State en co-eerste auteur van het papier. "We denken dat de dicht opeengepakte crowders de tracers daadwerkelijk onder druk zetten om ze naar minder dichte gebieden te dwingen. Grote tracermoleculen bewogen sneller dan kleine, en zacht, vervormbare tracers bewogen sneller dan harde."

"Zacht, vervormbare tracers zijn betere vertegenwoordigers van werkelijke soorten die zich in cellen verplaatsen, " zei Matthew Collins, een afgestudeerde student scheikunde aan Penn State en co-eerste auteur van het papier. "We denken dat ze sneller kunnen bewegen omdat, in tegenstelling tot harde deeltjes, ze kunnen zich door krappere gebieden wurmen."

"Onze experimenten en ons model laten niet alleen zien dat moleculen sneller kunnen bewegen door gradiënten van macromoleculaire verdringing, we denken dat deze bewegingssnelheden verder kunnen toenemen in echte levende cellen, waar andere actieve bewegende moleculen de opeenhopingsdruk zouden kunnen verhogen, " zei sen.