Die Programmierung von Zellen zur Organisation ihrer Moleküle könnte den Weg zu neuen Behandlungsmethoden öffnen.

15. Februar 2024

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Von Renata Solan, University of Wisconsin-Madison

Forscher können Zellen so verändern, dass sie neue Gene ausdrücken und spezifische Proteine produzieren, wodurch den Zellen neue Bestandteile zur Verfügung gestellt werden. Es ist jedoch viel schwieriger, den Zellen Anweisungen zur Organisation und Verwendung dieser neuen Bestandteile zu geben. Nun bieten neue Werkzeuge von Forschern der University of Wisconsin–Madison einen innovativen Weg, dieses Problem zu umgehen.

Ihre Forschungsergebnisse wurden im Journal Cell veröffentlicht.

Alles, was eine Zelle tut, hängt davon ab, wie Moleküle innerhalb der Zelle organisiert sind. In unseren Zellen - in allen Zellen - unterliegen Proteine und andere Moleküle einer Organisation und Neuanordnung, um die zelluläre Funktion auszuführen. Wie eine Flotte von Pendlerzügen, die zu bestimmten Intervallen entlang ihrer verschiedenen Strecken fahren, sind Proteine innerhalb einer Zelle zeitlich und räumlich organisiert, um komplexe, aber vorhersagbare Funktionen auszuführen.

Während die Notwendigkeit, Moleküle innerhalb einer Zelle zu organisieren, bei allen Lebewesen universell ist, variieren die spezifischen Proteine und Mechanismen, die für diese Organisation verantwortlich sind. In einem Systems, das spezifisch für bakterielle Zellen ist, zum Beispiel, interagieren die Proteine MinD und MinE - gemeinsam als MinDE bezeichnet - entlang der Zellmembran miteinander, um wellenartige Muster zu erzeugen, die bei der Bewegung von Molekülen innerhalb der Zelle helfen.

Wenn Moleküle innerhalb einer Zelle nicht ordnungsgemäß organisiert sind, kann dies ernsthafte Folgen haben, einschließlich einer ungleichen Zellteilung und einer fehlerhaften Kommunikation innerhalb und zwischen den Zellen, die mit Entwicklungsstörungen und Krankheiten wie Krebs in Verbindung gebracht werden.

Kurz gesagt, wir wissen, wie wir Zellen einige neue Bestandteile geben können, aber es ist viel schwieriger, ihnen die Anweisungen zur Organisation und Verwendung dieser Bestandteile zu geben.

Die Mechanismen, durch die Moleküle miteinander organisieren und interagieren, wurden im Laufe der Evolution über Jahrtausende hinweg fein abgestimmt. Wenn Wissenschaftler Zellen dazu bringen, neue Moleküle zu produzieren, ist es schwierig für Zellen, diese neuen Moleküle zu verwenden, ohne dabei unbeabsichtigt andere natürliche zelluläre Funktionen zu stören.

Biochemiker an der UW–Madison haben ein Werkzeug entwickelt, um die Bewegung und Organisation bestimmter Proteine in Säugetierzellen zu kontrollieren, während andere Proteine unberührt bleiben. Ihr neues Werkzeug nutzt die Wellen und Schwingungen, die aus den Wechselwirkungen zwischen MinDE-Proteinen resultieren, die nur in Bakterien vorkommen und nicht in die Funktionen von Säugetierzellen eingreifen.

Indem sie Wechselwirkungen zwischen den MinDE-Proteinen und Proteinen von Interesse konstruieren, haben die Forscher hochspezifische Muster zur Organisation von Molekülen innerhalb von Säugetierzellen geschaffen und zelluläre Verhaltensweisen und Funktionen induziert. Das Werkzeug ermöglicht es den Forschern, die Muster entsprechend den Reizen anzupassen und zu ändern, wodurch die Moleküle im Laufe der Zeit in der Zelle zu bestimmten Positionen bewegt werden.

Dieses innovative Werkzeug hat für Wissenschaftler, die an der Konstruktion spezifischer zellulärer Aktivitäten interessiert sind oder die die zelluläre Aktivität in einem lebenden Organismus untersuchen möchten, vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.

Die Kontrolle des Verhältnisses der MinDE-Proteine ermöglicht den Forschern, Bewegungsmuster zu entwerfen, die bestimmen, wie Moleküle in einer Zelle organisiert sind, was zur Koordination von zellulären Aktivitäten wie der Bewegung oder Kommunikation mit anderen Zellen verwendet werden könnte.

Die Variation in den Bewegungsmustern kann auch zur Untersuchung der zellulären Aktivität verwendet werden. Da jedes Verhältnis von MinDE-Proteinen ein einzigartiges oszillatorisches Muster aussendet, können die Proteine in eine Gruppe von Zellen eingefügt werden, um jeder Zelle ihr eigenes Muster zu geben - ein individuelles Leuchtfeuer, das es den Forschern ermöglicht, jede Zelle leichter zu beobachten.

Wissenschaftler können die einzigartigen Muster auch verwenden, um die Signalisierungsmuster der Zelle zu analysieren, um Informationen über Form, Lage und Signalisierungsaktivität jeder einzelnen Zelle zu erhalten. Die Coyle Lab Forscher an der UW–Madison vergleichen diese Verwendung des Werkzeugs mit einem FM-Radiosender, da es ihnen ermöglicht, auf die einzigartigen Daten zuzugreifen, die jede Zelle in einem mehrzelligen System aussendet - eine Aufgabe, die normalerweise sehr schwierig ist.

Das Coyle Lab plant, die Anwendungsmöglichkeiten des Werkzeugs weiter zu erforschen, einschließlich der Untersuchung der Dynamik von Signalwegen in Tumoren, ein klassisches Beispiel für fehlerhaftes zelluläres Verhalten und Funktion.

Bereitgestellt von der University of Wisconsin-Madison