Структуры, которые организуют эту микроскопическую пробку, больше не невидимы, благодаря исследователям из Университета штата Колорадо. Многопрофильная команда биофизиков и биохимиков, занимающихся изучением отдельных молекул, пролила свет на давно скрытый клеточный процесс: взаимосвязь клеточной мембраны млекопитающих и каркаса под ней, кортикального актинового цитоскелета. Впервые команда CSU в режиме реального времени наблюдала за этим цитоскелетом, действующим как барьер, который организует белки на поверхности клетки, эффективно воздействуя на гаишника на активность клеточной мембраны.Революционная визуализация и анализ этого наиболее фундаментального биологического процесса — того, как клеточная мембрана взаимодействует с ее внутриклеточной средой и контролирует клеточные функции — была совместно осуществлена лабораториями Диего Крапфа, доцента кафедры электротехники, компьютерной инженерии и биомедицинской инженерии, и Майкл Тамкун, профессор биомедицинских наук Колледжа ветеринарной медицины и биомедицинских наук и биохимии Колледжа естественных наук.
Исследование исследователей будет опубликовано в следующем выпуске Physical Review X с первым автором Саназом Садегом, доктором философии. студент в лаборатории Крапфа.В своем исследовании исследователи использовали мощную технологию визуализации со сверхвысоким разрешением, называемую фотоактивированной микроскопией локализации (PALM), которая, обходя естественный предел дифракции света, позволяет ученым делать четкие снимки и видео биологических процессов в наномасштабе. Микроскопия сверхвысокого разрешения была предметом Нобелевской премии по химии 2014 года.Исследователи CSU сосредоточились на движениях ионных каналов калия, типа белка, важного для клеточных функций на поверхности клетки, и на том, как эти ионные каналы взаимодействуют с кортикальным актиновым цитоскелетом.
Цитоскелет представляет собой сеть нитей, похожую на паутину, прямо под клеточной мембраной, которая придает клетке некоторую форму и структуру. Ученые ранее выдвинули гипотезу о том, что цитоскелет играет решающую роль в помощи мембранным белкам, изучающим клеточную поверхность, в организации и передаче сигналов для поддержания здоровья и функционирования клетки.
Но визуально зафиксировать это взаимодействие актин-белок в живых клетках было невозможно.«Белки на поверхности клетки, как и ионные каналы, имеют большую массу, которая свисает в клетку», — пояснил Тамкун. «Это та внутриклеточная масса, которая сталкивается с актиновой сетью».Используя специально разработанный микроскоп сверхвысокого разрешения, исследователи сняли фильмы, в которых были запечатлены точные моменты столкновения ионных каналов с сетью актина. Более того, они выполнили статистический анализ этих движений, чтобы получить доказательства ключевых структурных элементов актина.
Кортикальная актиновая сеть в клетке является фрактальной, что означает, что она структурно подобна в различных масштабах длины.«Фрактальная природа актиновой сети объясняет наши измерения», — сказал Садех. «Это заставляет нас задуматься, почему мы видим так много фракталов в природе.
Является ли это эффективным способом организации функций? Это интересный вопрос для будущих исследований».
Анализ исследователей CSU показал, что случайные движения белков клеточной мембраны демонстрируют сложные закономерности. Среди их наблюдений было то, что белки имели тенденцию возвращаться в места, которые они ранее посещали. Впервые исследователи из CSU представили статистические и визуальные доказательства того, что этот возврат напрямую вызван фрактальной природой актина.По словам Крапфа, главной технической проблемой было получение изображений с высоким разрешением за очень короткие промежутки времени. «Если мы подождем 10 секунд, цитоскелет клетки изменится, поэтому нам нужно быстро его отобразить.
Мы использовали двухсекундные интервалы, и в течение этих секунд нам нужно было получить достаточно высокое пространственное разрешение, чтобы увидеть столкновения между отдельными мембранными белками и структура актина ".Исследователи хотят понять все о клеточной мембране, потому что именно так клетка взаимодействует с внешней средой, и это может быть ключом к прогрессированию болезни и другим аспектам здоровья человека. «Для нас важно понять, как клетка организует свою мембрану, чтобы держать вещи в нужных местах», — сказал Садех.
Она предположила, что будущие исследования могут быть сосредоточены на конкретных участках мембраны — например, там, где происходит эндоцитоз, — и на том, как сеть актина регулирует локализованную активность.