Foto: Christine Torres Hicks

Úvod do objevu

Vědci z Oregon Health & Science University objevili skrytý systém uvnitř buněk, který funguje jako vnitřní „obchodní větry“ a rychle přenáší důležité proteiny na přední okraj buňky. Tento objev mění způsob, jakým vědci chápou pohyb buněk, šíření rakoviny a hojení ran. Studie, publikovaná v Nature Communications, zpochybňuje dlouholetá přesvědčení o tom, jak buňky organizují a dodávají proteiny na specifická místa.

Autor původního článku: redakce

Nový pohled na pohyb proteinů

Po mnoho let biologické učebnice popisovaly pohyb proteinů uvnitř buněk jako převážně náhodný proces zvaný difúze. V tomto modelu proteiny driftují, dokud nakonec nedosáhnou místa, kde jsou potřeba. Nový výzkum ukazuje, že buňky se nespoléhají pouze na náhodu. Místo toho generují směrované proudy tekutin, které aktivně tlačí proteiny směrem k přednímu okraji, kde buňky prodlužují, pohybují se a opravují tkáň.

Objev během výuky

Průlom se datuje k nečekanému momentu během neurobiologického kurzu v Marine Biological Laboratory v Massachusetts. Spoluautoři studie, Catherine (Cathy) Galbraith, Ph.D., a James (Jim) Galbraith, Ph.D., prováděli standardní experiment ve třídě, když si všimli něčeho neobvyklého. „Vlastně to začalo jako neočekávaný nález,“ řekla Cathy. „Prostě jsme prováděli experiment se studenty ve třídě.“

Použitím laseru tým dočasně učinil proteiny neviditelnými v pásu na zadní straně živé buňky, aby sledoval, jak se pohybují. To je běžná metoda pro studium intracelulárního transportu. Během experimentu viděli další tmavý pás na předním okraji buňky, oblasti, která se rozšiřuje, když se buňka pohybuje. „Dělali jsme to tak trochu pro zábavu a pak jsme si uvědomili, že nám to dává způsob, jak měřit něco, co dříve nebylo možné měřit,“ řekla.

Směrované proudy a transport proteinů

Cathy a Jim se připojili k OHSU v roce 2013 po práci v National Institutes of Health, kde spolupracovali s nositelem Nobelovy ceny Ericem Betzigem, Ph.D., na Howard Hughes Medical Institute’s Janelia Research Campus na pokročilých zobrazovacích technikách. S pomocí specializovaných zobrazovacích nástrojů tým zjistil, že buňky aktivně generují směrované proudy tekutin, které přirovnávají k atmosférickým řekám. Tyto proudy přesouvají aktin a další proteiny směrem k přední části buňky mnohem rychleji než samotná difúze.

„Zjistili jsme, že buňka může vlastně stlačit zadní část a cílit, kam posílá ten materiál,“ řekl Jim. „Pokud stlačíte polovinu houby, voda jde jen na tu polovinu. To je v podstatě to, co buňka dělá.“ Tyto proudy jsou nespecifické, což znamená, že mohou nést mnoho typů proteinů najednou. To vytváří vysoce efektivní systém, který podporuje protruze buněk, adhezi a rychlé změny tvaru. Všechny tyto procesy jsou nezbytné pro pohyb, imunitní reakce a opravu tkání.

Vizuální zobrazení buněčných proudů

Aby mohli pozorovat tyto vnitřní proudy, tým vyvinul upravenou verzi standardní fluorescenční metody. Místo odstranění fluorescence laserem aktivovali fluorescenční molekuly v jediném bodě a sledovali jejich pohyb. Jeden z klíčových experimentů nazvali FLOP, nebo Fluorescence Leaving the Original Point. „Nebyl to vůbec flop,“ řekla Cathy. „Byl to opak. Je to cokoliv jiného než flop, protože to fungovalo.“

Důsledky pro šíření rakovinných buněk

Objev by mohl pomoci vysvětlit, proč se některé rakovinné buňky pohybují tak agresivně. „Víme, že tyto vysoce invazivní buňky mají tento opravdu skvělý mechanismus, jak rychle a efektivně posunout proteiny tam, kde je potřebují na přední části buňky,“ řekl Jim. „Všechny buňky mají v podstatě stejné komponenty uvnitř, stejně jako Porsche a Volkswagen mají mnoho stejných částí, ale když jsou tyto části sestaveny do konečného stroje, chovají se a fungují velmi odlišně.“

Porozuměním tomu, jak rakovinné buňky používají tento systém odlišně od normálních buněk, mohou vědci vyvinout nové strategie k zpomalení nebo zastavení jejich šíření. „Pokud můžete pochopit rozdíly, můžete cílit budoucí terapie na základě toho, jak rakovinné buňky a normální buňky fungují odlišně,“ řekl.

Pokročilé zobrazování a spolupráce

Výzkum spojil odborníky na inženýrství, fyziku, mikroskopii a buněčnou biologii. Klíčové příspěvky přišly od spolupracovníků na Janelia Research Campus ve Virginii, včetně specialistů na fluorescenční korelační spektroskopii a 3D super-rozlišení zobrazování. „Přístrojové vybavení, které jsme potřebovali, neexistuje na většině míst,“ řekla Cathy. „Janelia měla jedinečné zařízení, které nám umožnilo testovat a potvrdit, co jsme viděli.“

Studie se silně opírala o pokročilé zobrazovací nástroje vyvinuté v Janelia, včetně iPALM, interferometrické techniky schopné rozlišovat struktury na nanometrové úrovni. „iPALM nám umožnil fyzicky vidět tyto oddíly,“ řekl Jim. „Neexistuje žádná jiná světelná technika, která by to mohla udělat.“

Nově identifikovaný „pseudo-organel“

Vědci popisují tento systém jako „pseudo-organel“, funkční oddíl, který není obklopen membránou, ale stále hraje významnou roli v organizaci chování buněk. „Stejně jako malé posuny v jet streamu mohou změnit počasí, malé změny v těchto buněčných větrech mohou změnit, jak nemoci začínají nebo postupují,“ řekla Cathy. Tým věří, že tento objev by mohl ovlivnit několik oblastí, včetně výzkumu rakoviny, dodávání léků, opravy tkání a syntetické biologie.

„Stačilo se jen podívat,“ řekla Cathy. „Ty proudy tam byly celou dobu. Teď víme, jak je buňky využívají.“

Spolu s Galbraithovými jsou spoluautory této studie Brian English, Ph.D., z Janelia Research Campus, a Ulrike Boehm, Ph.D., dříve z Janelia a nyní s Carl Zeiss AG z Německa. Tato studie byla podpořena National Institute of General Medical Sciences, National Institutes of Health, pod číslem R01GM117188, U.S. National Science Foundation, pod čísly 2345411 a 171636, W. M. Keck Foundation, Howard Hughes Medical Institute Janelia Visiting Scientist Program a Howard Hughes Medical Institute. Práce s iPALM byla částečně podpořena oceněním z Advanced Imaging Center v Janelia. SIM zobrazování bylo částečně podpořeno grantem Core Research Facilities z OHSU School of Medicine.