חוקרי קורנל מצאו דרך חדשה ועלולה להיות מדויקת יותר לראות מה חלבונים עושים בתאים חיים – תוך שימוש ברכיבים של התאים עצמם כחיישנים מובנים.
גישה זו יכולה לעזור למדענים ללמוד כיצד מולקולות מקשרים בין תאים, כולל בנגיפים, וכיצד חלבונים מתקשרים במחלות כמו סרטן והתנוונות עצבית.
החוקרים גילו דרך חדשה להשתמש בחלבונים טבעיים המיוצרים על ידי תא כחיישנים זעירים כדי לדווח על סביבתם ואינטראקציות שלהם, ללא טכניקות פולשניות מסורתיות שיכולות להפריע לתוצאות הביולוגיה הרגילות של התא ותוצאות המחקר. המחקר פורסם ב -1 ביולי ב- Nature Communications.
השיטה מועילה בעיקר להבנת מנגנונים ביולוגיים חדשים, כמו אלה שיכולים להיות מעורבים במצבי מחלה כמו סרטן או במהלך ההדבקה. לדוגמה, ניתן להעלות על הדעת לעקוב אחר הרכבה של נגיף בשיטה זו כדי להבין כיצד ואיפה רכיביה בנויים בתוך תאים. "
בריאן קריין, ג'ורג 'וו. וגרייס ל. טוד פרופסור במחלקה לכימיה וביולוגיה כימית במכללה לאמנויות ומדעים ובסופר המקביל לפרסום
Crane, שמנחה את מכון ווייל לביולוגיה של תאים ומולקולריים, ועמיתיו התמקדו בפלאבינים, מולקולות קטנות, הנגזרות בוויטמין B2, שיכולות לפעול כמו תוויות מגנטיות בתאים. מאפיין מגנטי זה הופך אותם לגלות על ידי טכניקה הנקראת ספקטרוסקופיה של Electron Spin Resonance (ESR), שהיא כמו מכונת MRI אך מודדת שינויים קטנים במיוחד ומרחקים ננומטריים. על ידי מעקב אחר התנהגותם של חלבונים הנקראים פלבופרוטאינים, הנושאים פלבינים, החוקרים יכולים לגלות כיצד מולקולות אחרות מתארגנות ונעות בתאים חיים.
מכיוון שפלופרוטאינים קיימים במערכות ביולוגיות רבות, החוקרים ראו דרך להשתמש בהם כחיישנים מובנים. על ידי הפעלת התכונות המגנטיות של הפלבין באור, הם יכולים להשתמש ב- ESR כדי לחקור מבני חלבון ישירות בתאים – ללא כימיקלים סינתטיים.
"חקרנו את תכונותיהם של פלבופרוטאינים מסוימים וגילינו שמדינות הספין המגנטיות שלהן היו יציבות יותר מהצפוי בתאים", אמר טימוטה צ'וברה, מקורב למחקר במעבדת המנוף במכון וייל ומחבר מוביל במחקר. "ומהעבודה קודמת על חלבונים רגישים לאור, הבנו שנוכל להשתמש באור כדי להפעיל את האות הדרוש לנו כדי לאתר מולקולות אלה באמצעות ESR."
אילוץ תגיות מלאכותיות לתאים עשוי להפריע לתפקוד הסלולרי, אך תאים מייצרים באופן טבעי בדיקות המכילות פלבין, כך "אם אתה יכול להערים את התא להפוך אותם, זה הרבה יותר טוב", אמר קריין.
כדי לבדוק את השיטה החדשה שלהם, החוקרים חקרו חלבון חיידקי הנקרא AER, המסייע לחיידק E. coli לחוש חמצן. AER עובד עם שני חלבונים נוספים, צ'אה ולעיסה, כדי להעביר אותות על פני הממברנה. בעוד שחלבונים אלה נחקרו בעבר, זו הייתה הפעם הראשונה שהחוקרים הצליחו להתבונן ישירות כיצד קולטן AER מתכנס בתוך תא חי.
"למדנו כי AER יוצר מכלולים בסדר גודל גבוה יותר, מערכי מולקולות בקרום, העובדים יחד כדי להגביר אותות", אמר קריין. "ארכיטקטורות אלה אינן יציבות ולא ייווצרו מחוץ לתאים."
עם ESR, הצוות מדד את המרחק בין שני הפלאבינים בדימר אייר-קומפלקסים של שתי מולקולות חלבון זהות-עם דיוק ברמת אנגסטרום, המאשר לא רק את מבנה הדימר אלא גם חושף מכלולים גדולים יותר הנוצרים בתוך תאים.
החוקרים פיתחו גם פלבופרוטאין קטן מהונדס בשם ILOV, שניתן להתמזג גנטית לחלבונים אחרים כדי להראות אותם עם ESR. כלי זה פועל כמו תג מולקולרי, המאפשר למדענים ללמוד את המבנה והמיקום של כמעט כל חלבון בתוך תא חי.
המחקר גם הוכיח כי כעת ניתן להשתמש ב- ESR, שהוגבל בעיקר לחלבונים מטוהרים בצינורות מבחן, במערכות חיים עם פירוט מדהים.
"ספקטרוסקופיה של ESR אינה מוגבלת רק ללמוד מולקולות מטוהרות או מערכות משוחזרות", אמר קריין.
הצוות מתאים כעת את השיטה לסוגי תאים אחרים, במיוחד תאי יונקים, כדי לבדוק אם הם יכולים לעקוב אחר תהליכים בסביבות מורכבות יותר, אמר.
התורמים למחקר כוללים Siddarth Chandrasekaran, Ph.D. '17; רוברט דונליווי, MS '19, Ph.D. '23; וג'ק ה. פריד, פרופסור אמריטוס במחלקה לכימיה וביולוגיה כימית (A&S).
מחקר זה נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע, המוסדות הלאומיים לבריאות, מכון וייל לביולוגיה תאים ומולקולרית והמרכז הביו -רפואי הלאומי לטכנולוגיות ESR מתקדמות.
