בתוך התא שוכנים מפעלי הרכבה ומחסנים זעירים רבים המאגדים את כל החלבונים וה-RNA – שמבצעים הוראות מה-DNA שלנו – שיצור חי צריך.
מכלולים אלה, הנקראים קונדנסטים ביו-מולקולריים, עוזרים לווסת את האופן שבו תאים מתחלקים ומגיבים ללחץ על ידי סילוק ועיבוד RNA וחלבונים. עם זאת, אין להם קרום המפריד ביניהם משאר הגרעין. במקום זאת, המכונות שלהם מתעבות יחד, בדומה לאופן שבו אדי מים מתעבים בריחוף ויוצרים עננים בשמים, אומר פרופסור לכימיה באוניברסיטת מישיגן נילס וולטר.
אבל מדענים אינם בטוחים כיצד פועלים התהליכים השולטים בגורל הטיפות הביו-מולקולריות הללו. הדמיה של תהליכים אלה הוכיחה את עצמה כקשה: כל דבר בתוך תא זז וקשה לאתר אותו, ולעיבוי ביו-מולקולרי יש נטייה להתגלגל כאשר מניחים אותם על שקף מיקרוסקופ לבדיקה.
כעת, חוקרי UM בראשותו של וולטר פיתחו שיטה לבחינת פנים הטיפות, תוך התמקדות בחלבון הנקרא fused in sarcoma, או FUS, שלעתים קרובות מתעבה בחולים עם המחלה הנוירודגנרטיבית amyotrophic lateral sclerosis, או ALS. הם גילו שהתנועות של מולקולות ה-RNA והחלבון בתוך הקונדנסטים הביו-מולקולריים הללו מואטות בתוך אזורים נפרדים, אינסופיים קטנים, שהחוקרים מכנים ננו-דומיינים. עם הזמן – ככל שהעיבוי מזדקן – הננו-דומיינים נעים אל פני השטח של הטיפה.
החוקרים גם יישמו תרופות המשמשות לטיפול ב-ALS ומחלות דומות לקונדנסטים הביו-מולקולריים, וראו שהתרופות עשויות לפעול, בין השאר, על ידי האצת תנועת הננו-דומיין אל משטח הטיפות, ולהאיץ את היווצרותם של סיבים. סיבים אלה נחשבים כמגנים על נוירונים מפני השפלה, מכיוון שהם סופגים אגרגטים רעילים קטנים יותר במהלך התקדמות ALS.
הממצאים, שנתמכו על ידי המכון הלאומי לבריאות, הקרן הלאומית למדע של ארה"ב ויוזמת צ'אן צוקרברג, מדווחים ב- טבע ננוטכנולוגיה.
"יש הרבה תקווה שעל ידי מניפולציה של הקונדנסטים האלה נוכל להשתמש בהם למטרות רפואיות, כמו האטת מחלות ניווניות, הפיכתם למאגר לתרופות שיכולות להשתחרר באיטיות לאורך זמן, או סגירת חלבונים לא רצויים כגון אלו הקשורים לסרטן או לנגיף על ידי גרימתם ליצור עיבויים", אמר וולטר, מנהל המרכז לרפואת ביולוגי של UM. "ההבנה כיצד הם נוצרים – ומה מתפתח בתוכם כשהם מזדקנים – חיונית למציאת דרכים להשפיע על התהליך בצורה מועילה."
FUS הוא מווסת מרכזי של חילוף החומרים של ה-RNA הסלולרי ומתעבה כאשר התאים עוברים הולכת מתח הנקראת הפרדת פאזות היפוסמטית. במצב זה, התא חווה ריכוז גבוה מהרגיל של מלח, מה שגורם לתא להסתגל על ידי שפיכת מים והתכווצות של עד 50%. לאחר זמן מה, כאשר הלחץ אינו משתחרר, התאים מתחילים בתוכניות ביטוי גנים כדי לנפח את עצמם שוב. עיבוי FUS עשוי למלא תפקיד בהקלת התוכניות הנכונות.
מוטציות גנטיות מסוימות של FUS מובילות לסרטן ולמחלות ניווניות כמו ALS. עם מוטציה, FUS מצטבר ולאחר מכן מתעבה בציטופלזמה של התא. התקבצות של FUS לאורך זמן קשורה ל-ALS ולדמנציה פרונטו-טמפורלית. אבל ללכוד את התקדמות השינוי הפתולוגי הזה קשה, אומרים החוקרים, וכך גם ללכוד תמונות של האופן שבו FUS מתעבה והעיבוי מזדקן.
כדי ללמוד כיצד FUS מתעבה, החוקרים טיהרו צורה באורך מלא של החלבון. תחילה הם הוסיפו לחלבון סוג של סוכר שמונע ממנו להתעבות, ושאותו יכלו להסיר כרצונם, מה שגרם להתעבות החלבון. החוקרים תייגו בדיקה של RNA ואת החלבון בשני צבעים שונים של צבעים ניאון. זה איפשר להם להשתמש במיקרוסקופ פלואורסצנטי כדי לעקוב אחר הדיפוזיה של מולקולות RNA בודדות וחלבון בטיפות המעובה.
אבל היה להם עוד מכשול אחד להתגבר: קשה להחזיק את טיפות הקונדנסט הביו-מולקולרי כדי שמיקרוסקופ יבדוק אותן, אומר וולטר.
אם אתה מכין עיבוי ומניח אותו על שקף מיקרוסקופ, הוא יכול להתגלגל על פני השטח או להתנועע קדימה ואחורה. אם זה יקרה, אז מעקב החלקיקים מסתבך. אז אתה צריך לשתק את הקונדנסטים על פני השטח, אבל אתה צריך לעשות את זה בצורה מאוד שיפוטית. לדוגמה, אם יש לך יותר מדי עוגנים על פני השטח של הקונדנסט, הוא פשוט משתטח. זה הופך לפנקייק".
נילס וולטר, פרופסור לכימיה, אוניברסיטת מישיגן
צוות המחקר מצא מדיום שמח של מספיק עוגנים כדי לשמור על הטיפה בשקט, ובאמצעות סוג של מיקרוסקופיה הנקראת HILO microscopy, החוקרים יכלו לעקוב אחר תנועותיהן של מולקולות בודדות בתוך הטיפה. זה איפשר להם לראות היכן מתקבצים חלקיקים בתוך הטיפה.
הטכניקה גם אפשרה לחוקרים לצפות בסיבים נוצרים סביב קונדנסט FUS אלה. לאחר מכן החוקרים יישמו תרופות מולקולות קטנות המשמשות לטיפול ב-ALS על הביו-קונדנסטים כדי לראות כיצד הם השפיעו על חלבוני ה-FUS. הם גילו שהתרופות גרמו לצבירי הננו-דומיין של FUS לנוע מהר יותר אל פני השטח של הקונדנסט, משם צמחו הסיבים.
"אבל המשמעות הכוללת של הממצאים שלנו היא שלראשונה, אנו רואים את הננו-דומיינים האלה כזרעים פוטנציאליים לסיבים האלה," אמר וולטר. "אולי לתרופות שהשתמשנו בהן, אדרבון ובמיוחד רילוזול, יש השפעה נוספת מעבר לאלו המוכרים, בכך שהם עוזרים לקונדנסטים להתפרק מהר יותר ולהגן על הנוירון".
וולטר אומר שהבנת המנגנונים בתוך קונדנסטים ביו-מולקולריים היא נושא חשוב לחוקרים כרגע.
"התחום של עיבוי פאזות התפוצץ. יש הרבה מעיבוי פאזות אלה בתאים שמאיצים תגובות או מרחיקים דברים כך שהם לא יכולים לזרוע הרס", אמר. "יש הרבה ביולוגיה שנלמדת בתחום הביולוגיה שנע במהירות."
