Le cellule devono reagire ai cambiamenti ambientali e mantenere un sistema equilibrato di cascate di segnalazione all'interno della cellula. Proteine ​​al di fuori della cellula, sulla superficie cellulare, all'interno della membrana cellulare, e all'interno della cellula orchestrano molte vie di segnalazione finemente sintonizzate, che provocano reazioni alle condizioni ambientali o cambiamenti nell'organismo stesso. L'organizzazione spazio-temporale dei processi cellulari come la segnalazione cellulare, la polarizzazione cellulare e la crescita dei neuriti sono spesso regolate dalla distribuzione subcellulare di molecole o organelli.

Le singole proteine ​​possono svolgere funzioni distinte se localizzate in diverse posizioni subcellulari. Un esempio è la proteina Rac1, che controlla la forma dello scheletro della cellula alla membrana plasmatica intracellulare, ma quando si localizza nel nucleo, regola la morfologia nucleare. Lo spostamento nucleocitoplasmatico di Rac1 svolge un ruolo importante nell'invasione del tumore. Nei neuroni, il trasporto bidirezionale lungo i microtubuli assonali gioca un ruolo critico nella corretta distribuzione subcellulare degli organelli. La sua cattiva regolazione è coinvolta nelle malattie neurodegenerative. Però, l'analisi di processi complessi che coinvolgono la bicicletta, il traffico o lo spostamento di molecole segnale/organelli tra i compartimenti cellulari rimane una sfida importante.

Il gruppo di Yaowen Wu, professore presso il dipartimento di chimica dell'Università di Umeå, ha ora sviluppato una nuova tecnologia denominata Multi-direzionale Activity Control (MAC), che rende possibili studi dal vivo dei processi di segnalazione cellulare. I ricercatori sono pionieri nello sviluppo di metodi per l'osservazione in tempo reale dei meccanismi cellulari in condizioni controllate. Hanno usato un fotoattivabile, sistema a doppia dimerizzazione indotta chimicamente (pdCID) per controllare il posizionamento di organelli e proteine ​​in più posizioni in una singola cellula. Questo sistema combina due reazioni chimiche che formano dimeri proteici in una singola cellula. Uno di loro potrebbe essere controllato dalla luce.

"Abbiamo dimostrato che il nostro sistema di dimerizzazione fotoattivabile e indotto chimicamente potrebbe essere utilizzato per controllare la funzione degli organelli cellulari e delle vie di segnalazione cellulare in una singola cellula a un livello calibrato e multistrato, che prima non era possibile con i metodi esistenti. Abbiamo combinato due sistemi modulari in modo parallelo o competitivo per consentire il controllo multidirezionale sull'attività di proteine ​​o organelli da parte di piccole molecole e luce, "dice Yaowen Wu, che sta appena allestendo il suo nuovo laboratorio nel nord della Svezia.

Il gruppo di ricerca ha anche dimostrato che la nuova tecnologia consente un'induzione e l'osservazione molto rapida di diverse reazioni cellulari, e consente nuovi studi sulle perturbazioni che non erano possibili utilizzando i tradizionali approcci genetici.

Usando questo metodo, gli scienziati hanno operato più cicli di Rac1 facendo la spola tra il citosol, membrana plasmatica e nucleo in una singola cellula. Potrebbero controllare il trasporto dei perossisomi (un organello cellulare coinvolto nell'ossidazione delle molecole) in due direzioni, cioè alla periferia cellulare e poi al corpo cellulare, e viceversa. È come giocare a biliardo in cella, ma su scala micrometrica.

L'approccio MAC potrebbe anche essere utilizzato per emulare o interferire con condizioni patologiche che coinvolgono il posizionamento di proteine/organelli al fine di studiare i meccanismi patogenetici, e infine aiutare lo sviluppo del loro intervento terapeutico. Lo studio è pubblicato su Angewandte Chemie .