Bioingenieure entwickeln Protein-Assemblierungs-Roadmap für natürliche Nanobläschen

Schwimmflügel sind nicht gerade Hightech, was Wassersport angeht. Die winzigen luftgefüllten Blasen, die einige Mikroorganismen als Schwimmhilfe verwenden, wenn sie an der Wasseroberfläche um Licht konkurrieren, sind jedoch eine andere Geschichte.

Die als Gasvesikel (GVs) bekannten mikrometergroßen Bläschen sind für eine Vielzahl biomedizinischer Anwendungen, darunter Bildgebung, Sensorik, Zellmanipulation und -verfolgung und mehr, vielversprechend. Das Problem ist, dass die Forscher noch nicht wissen, wie man medizinisch nützliche GV-Varianten im Labor herstellen kann.

Bioingenieure der Rice University haben nun eine Roadmap erstellt, die zeigt, wie eine Gruppe von Proteinen interagiert, um die nanometerdünne Hülle der Bläschen zu bilden. Durch die Entschlüsselung einiger der komplexen molekularen Prozesse, die während der GV-Zusammensetzung stattfinden, sind der Bioingenieur George Lu von Rice und sein Team im Labor für synthetische makromolekulare Zusammenbauten nun einen Schritt näher daran, leistungsstarke neue Diagnose- und Therapieverfahren auf der Grundlage dieser natürlich vorkommenden Strukturen zu entwickeln.

„GVs sind im Wesentlichen winzige Luftbläschen, daher können sie zusammen mit Ultraschall verwendet werden, um Dinge in unserem Körper sichtbar zu machen, wie Krebs oder bestimmte Körperteile“, sagte Manuel Iburg, ein Postdoktorand an der Rice University und Hauptautor einer Studie. veröffentlicht In Das EMBO Journal. „Allerdings können GVs nicht im Reagenzglas oder am Fließband hergestellt werden, und wir können sie nicht von Grund auf neu produzieren.“

Zur Familie der GVs gehören einige der kleinsten Blasen, die je hergestellt wurden, und sie können monatelang bestehen. Ihre Stabilität über längere Zeiträume ist größtenteils auf die spezielle Struktur ihrer Proteinhülle zurückzuführen, die sowohl für einzelne Wasser- als auch Gasmoleküle durchlässig ist, aber eine Innenoberfläche hat, die stark wasserabweisend ist – daher die Fähigkeit der GVs, Gas auch unter Wasser zu behalten. Und anders als synthetische Nanoblasen, die von außen mit Gas versorgt werden, nutzen GVs Gas aus der umgebenden Flüssigkeit.

Die im Wasser lebenden photosynthetischen Bakterien, die GVs verwenden, um näher ans Sonnenlicht zu schweben, besitzen spezifische Gene, die die Proteine ​​kodieren, aus denen diese spezielle Hülle besteht. Obwohl man weiß, wie die winzigen Bläschen aussehen und warum sie dazu neigen, sich zu häufen, müssen die Forscher die Proteininteraktionen, die den Zusammenbau der Strukturen ermöglichen, noch entschlüsseln. Ohne einen Einblick in die Funktionsweise dieser Proteinbausteine ​​müssen Pläne für den Einsatz von im Labor hergestellten GVs in medizinischen Anwendungen auf Eis gelegt werden.

Um das Problem zu lösen, konzentrierten sich die Forscher auf eine Gruppe von elf Proteinen, von denen sie wussten, dass sie Teil des Montageprozesses waren, und entwickelten eine Methode, um zu verfolgen, wie jedes dieser Proteine ​​wiederum mit den anderen in den lebenden Elternzellen interagiert.

„Wir mussten äußerst sorgfältig vorgehen und ständig überprüfen, ob unsere Zellen noch GVs produzieren“, sagte Iburg. „Eines der Dinge, die wir gelernt haben, ist, dass einige der GV-Proteine ​​ohne allzu große Schwierigkeiten verändert werden können.“

Die Forscher nutzten diese Erkenntnisse, um während der Tests bestimmte GV-Proteine ​​hinzuzufügen oder zu entfernen. So fanden sie heraus, dass die Interaktionen zwischen einigen Proteinen die Hilfe anderer Proteine ​​benötigten, um richtig zu funktionieren. Sie überprüften auch, ob sich diese einzelnen Interaktionen im Laufe des GV-Zusammenbauprozesses veränderten.

„Durch viele solcher Permutationen und Iterationen haben wir eine Roadmap erstellt, die zeigt, wie all diese verschiedenen Proteine ​​interagieren müssen, um ein GV innerhalb der Zelle zu produzieren“, sagte Iburg. „Aus unseren Experimenten haben wir gelernt, dass diese Roadmap der GV-Interaktionen sehr dicht ist und viele voneinander abhängige Elemente enthält. Einige der GV-Proteine ​​bilden Unternetzwerke, die im Gesamtprozess eine kleinere Funktion zu erfüllen scheinen, andere müssen mit vielen anderen Teilen des Montagesystems interagieren und wieder andere verändern ihre Interaktionen im Laufe der Zeit.“

„Wir glauben, dass GVs großes Potenzial für neue, schnelle und komfortable Ultraschalldiagnosen oder sogar Behandlungsmöglichkeiten für Patienten haben“, sagte Lu, Assistenzprofessor für Bioengineering an der Rice University und Stipendiat des Cancer Prevention and Research Institute of Texas (CPRIT). „Unsere Erkenntnisse können Forschern auch dabei helfen, GVs zu entwickeln, mit denen bestehende Behandlungen noch präziser, komfortabler und effektiver werden.“