Gasvesikel sind hohle Strukturen aus Proteinen, die in den Zellen bestimmter Mikroorganismen vorkommen, und Forscher der Rice University glauben, dass sie für den Einsatz in biomedizinischen Anwendungen programmiert werden können.
„Im Inneren von Zellen sind Gasvesikel in einem wunderschönen Wabenmuster verpackt. Wie dieses Muster entsteht, wurde nie vollständig verstanden. Wir präsentieren die erste Identifizierung eines Proteins, das diese Musterung regulieren kann, und wir glauben, dass dies ein Meilenstein in der Molekularbiologie sein wird.“ Mikrobiologie“, sagte George Lu, Assistenzprofessor für Bioingenieurwesen und Wissenschaftler am Cancer Prevention and Research Institute of Texas.
Lu und Kollegen haben ihre Ergebnisse in veröffentlicht ein Papier veröffentlicht in Naturmikrobiologie. Der Hauptautor ist Zongru Li, ein Bioingenieur-Doktorand im vierten Jahr in Lus Labor für synthetische makromolekulare Assemblies.
„Gasvesikel sind zylindrische Röhren, die durch konische Endkappen verschlossen sind“, sagte Li. „Sie sorgen für Auftrieb in den Zellen ihrer natürlichen Wirte.“
Die Vesikel kommen natürlicherweise in fünf Bakterienstämmen und zwei Gruppen von Archaeen (einzelligen Organismen) vor. Die meisten sind auf planktonische Mikroorganismen beschränkt, die häufig in Süßwasserteichen vorkommen. Die jüngste Entwicklung von Vesikeln hat zu mehreren Anwendungen geführt, darunter Reportergen-Bildgebung, akustische Kontrolle und Nutzlastlieferung.
Co-Autor Yifan Dai, Assistenzprofessor für Biomedizintechnik an der McKelvey School of Engineering der Washington University in Saint Louis, sagte, sie seien von der Forschung angezogen worden, weil sie sich fragten, warum sich die Vesikel im Wabenmuster bilden können.
Mit Hilfe seines WashU-Kollegen Alex Holehouse und der Kollegen von der Duke University, Ashutosh Chilkoti und Lingchong You fand das Forscherteam heraus, dass dieses Muster die effizienteste Raumnutzung darstellt und dass die Clusterform eine Rolle bei seiner Funktionsweise spielt.
Vor allem bildeten sich diese Proteincluster in untersättigter Lösung, einer zuvor identifizierten neuen Form der biologischen Struktur, die die Organisation dieser Vesikel steuert. Das Fazit ist, dass sie die Funktion hinter dieser mysteriösen neuen Form gefunden haben.
„Diese vom Lu-Labor geleiteten Teams fanden heraus, dass eine einzigartige Form von Proteinclustern, die ausschließlich in untersättigter Lösung zusammengesetzt sind, das Clusterverhalten antreibt“, sagte Dai. Dies ergänzt die Beweislage darüber, wie sich der Phasenübergang auf die Zellorganisation und Zellfunktionen auswirkt, fügte er hinzu.
Lu und sein Team erforschen mithilfe genetischer, biochemischer und bildgebender Ansätze Protein-Nanostrukturen. Gasvesikel stabilisieren die Luftblasen im bakteriellen Zytosol – die Flüssigkeiten in den Zellen – und stellen eine Flüssigkeit-Gas-Schnittstelle bereit, die für Ultraschall- oder MRT-Kontrast verwendet werden kann.
„In unserem Labor nutzen wir die Leistungsfähigkeit der synthetischen Biologie, um die Anwendungsmöglichkeiten dieser Protein-Nanostrukturen zu erweitern“, sagte Li. „Durch die Manipulation von Genen und Zellen wollen wir Gasvesikel bauen, die in biotechnologischen und biomedizinischen Anwendungen noch effizienter funktionieren.“
Mehr Informationen:
Zongru Li et al.: Der Phasenübergang von GvpU reguliert die Clusterbildung von Gasvesikeln in Bakterien. Naturmikrobiologie (2024). DOI: 10.1038/s41564-024-01648-3