Die Programmierung von Zellen zur Organisation ihrer Moleküle könnte die Tür zu neuen Behandlungen öffnen

Forscher können Zellen so manipulieren, dass sie neue Gene exprimieren und spezifische Proteine ​​produzieren, wodurch die Zellen neue Teile erhalten, mit denen sie arbeiten können. Es ist jedoch viel schwieriger, den Zellen Anweisungen zur Organisation und Verwendung dieser neuen Teile zu geben. Jetzt bieten neue Tools von Forschern der University of Wisconsin-Madison eine innovative Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen.

Ihre Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Zelle.

Alles, was eine Zelle tut, hängt davon ab, wie die Moleküle in der Zelle organisiert sind. In unseren Zellen – allen Zellen – unterliegen Proteine ​​und andere Moleküle einer Organisation und Reorganisation, um zelluläre Funktionen auszuführen. Wie eine Flotte von Nahverkehrszügen, die in festgelegten Abständen auf ihren verschiedenen Strecken fahren, sind Proteine ​​innerhalb einer Zelle zeitlich und räumlich organisiert, um komplexe, aber vorhersehbare Funktionen auszuführen.

Während die Notwendigkeit, Moleküle innerhalb einer Zelle zu organisieren, bei lebenden Organismen universell ist, variieren die spezifischen Proteine ​​und Mechanismen, die für diese Organisation verantwortlich sind. In einem für Bakterienzellen spezifischen System interagieren beispielsweise die Proteine ​​MinD und MinE – zusammen als MinDE bekannt – entlang der Zellmembran miteinander und erzeugen wellenartige Muster, die die Bewegung von Molekülen innerhalb der Zelle unterstützen.

Wenn sich Moleküle innerhalb einer Zelle nicht richtig organisieren, kann dies schwerwiegende Folgen haben, einschließlich einer ungleichmäßigen Zellteilung und einer fehlerhaften Kommunikation innerhalb und zwischen Zellen, die beide mit Entwicklungsstörungen und Krankheiten wie Krebs verbunden sind.

Kurz gesagt, wir wissen, wie man Zellen neue Teile verleiht, aber es ist viel schwieriger, Anweisungen zu geben, wie man sie organisiert und verwendet.

Die Mechanismen, durch die sich Moleküle organisieren und miteinander interagieren, wurden im Laufe der Jahrtausende der Evolution verfeinert. Wenn Wissenschaftler Zellen so manipulieren, dass sie neue Moleküle produzieren, ist es schwierig, Zellen dazu zu bringen, diese neuen Moleküle zu nutzen, ohne unbeabsichtigt andere natürliche Zellfunktionen zu stören.

Biochemiker an der UW-Madison haben ein Werkzeug entwickelt, um die Bewegung und Organisation spezifischer Proteine ​​in Säugetierzellen zu steuern und gleichzeitig andere Proteine ​​in Ruhe zu lassen. Ihr neues Werkzeug nutzt die Wellen und Schwingungen, die aus Interaktionen zwischen MinDE-Proteinen entstehen, die nur in Bakterien vorkommen und die Zellfunktion von Säugetieren nicht beeinträchtigen.

Durch die Entwicklung von Wechselwirkungen zwischen den MinDE-Proteinen und den Proteinen von Interesse erstellten die Forscher hochspezifische Muster, um Moleküle in Säugetierzellen zu organisieren und zelluläre Verhaltensweisen und Funktionen zu induzieren. Das Tool ermöglicht es Forschern, die Muster als Reaktion auf Reize zu optimieren und zu verändern, indem sie im Wesentlichen Moleküle so programmieren, dass sie sich im Laufe der Zeit in einer Zelle an bestimmte Orte bewegen.

Dieses innovative Werkzeug bietet vielfältige Einsatzmöglichkeiten für Wissenschaftler, die an der Entwicklung spezifischer Zellaktivitäten oder der Untersuchung der Zellaktivität in einem lebenden Organismus interessiert sind.

Durch die Kontrolle des Verhältnisses von MinDE-Proteinen können die Forscher Bewegungsmuster entwerfen, die bestimmen, wie Moleküle in einer Zelle organisiert sind, und die zur Orchestrierung zellulärer Aktivitäten wie Bewegung oder Kommunikation mit anderen Zellen verwendet werden könnten.

Die Variation der Bewegungsmuster kann auch zur Untersuchung der Zellaktivität genutzt werden. Da jedes Verhältnis von MinDE-Proteinen ein einzigartiges Oszillationsmuster aussendet, können die Proteine ​​in eine Gruppe von Zellen eingefügt werden, um jeder Zelle ihr eigenes Muster zu verleihen – ein individuelles Signal, das es Forschern ermöglicht, jede Zelle einfacher zu beobachten.

Wissenschaftler können die einzigartigen Muster auch nutzen, um die Signalmuster der Zelle zu analysieren, um mehr über die Form, Lage und Signalaktivität jeder einzelnen Zelle zu erfahren. Die Forscher des Coyle Lab von UW-Madison vergleichen diese Verwendung des Tools mit einem UKW-Radiosender, da sie sich so auf die einzigartigen Daten einstellen können, die jede Zelle in einem mehrzelligen System aussendet, eine Aufgabe, die normalerweise sehr schwierig ist.

Das Coyle Lab plant, die Anwendungen des Tools weiter zu erforschen, einschließlich der Untersuchung der Dynamik von Signalwegen in Tumoren, einem klassischen Beispiel für fehlerhaftes Verhalten und Funktion von Zellen.