I biofisici della Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) di Monaco di Baviera hanno dimostrato che un fenomeno noto come diffusioforesi, che può portare a un trasporto diretto di particelle, può verificarsi nei sistemi biologici.

Per svolgere le loro funzioni biologiche, le cellule devono garantire che i loro programmi logistici siano implementati senza intoppi, in modo tale che i carichi molecolari necessari siano consegnati alle destinazioni previste in tempo. La maggior parte dei meccanismi di trasporto noti nelle cellule si basano su interazioni specifiche tra il carico da trasportare e le proteine ​​motorie, che consumano energia, che trasportano il carico a destinazione. Un gruppo di ricercatori guidati dal fisico della LMU Erwin Frey (Chair of Statistical and Biological Physics) e Petra Schwille del Max Planck Institute for Biochemistry ha mostrato per la prima volta che nelle cellule può avvenire una forma di trasporto diretto di particelle, anche in assenza di motori molecolari. Per di più, questo meccanismo può ordinare le particelle trasportate in base alla loro dimensione, come riporta il team nell'ultimo numero di Fisica della natura.

Lo studio si concentra sul sistema MinDE del batterio E. coli, che è un modello consolidato e importante per la formazione del modello biologico. Le due proteine ​​MinD e MinE oscillano tra i poli della cellula a forma di bastoncino e la loro mutua interazione sulla membrana cellulare alla fine limita il piano di divisione cellulare al centro della cellula. In questo caso, i ricercatori hanno ricostruito il modello che forma il sistema MinDE nella provetta, utilizzando le proteine ​​Min purificate e membrane artificiali. Come previsto da precedenti esperimenti, quando la molecola ricca di energia ATP è stata aggiunta a questo sistema, le proteine ​​Min hanno ricapitolato il comportamento oscillatorio osservato nelle cellule batteriche. Ma ancora più importante, gli sperimentatori hanno continuato a dimostrare che molti diversi tipi di molecole potrebbero essere catturati nelle onde oscillatorie mentre attraversavano le membrane, anche molecole che non hanno nulla a che fare con la formazione di schemi e non si trovano affatto nelle cellule.

Una selezionatrice per origami del DNA

Per analizzare più in dettaglio il meccanismo di trasporto, il team si è rivolto a carichi che consistevano in origami di DNA, e potrebbe essere ancorato alla membrana. Questa strategia permette di creare strutture molecolari di varie dimensioni e forme, basato su interazioni programmabili di accoppiamento di basi tra filamenti di DNA. "Questi esperimenti hanno mostrato che questa modalità di trasporto dipende dalle dimensioni del carico, e che MinD può anche ordinare le strutture in base alla loro dimensione, "dice Beatrice Ramm, un postdoc nel dipartimento di Petra Schwille e primo autore congiunto del nuovo studio.

Con l'ausilio di analisi teoriche, Il gruppo di Frey ha continuato a identificare il meccanismo di trasporto sottostante come diffusioforesi, il movimento diretto delle particelle lungo un gradiente di concentrazione. Nel sistema Min, l'attrito tra il carico e le proteine ​​Min diffondenti è responsabile del trasporto del carico. Così, il fattore cruciale in questo contesto non è un insieme specifico di interazioni biochimiche, come nel caso del trasporto tramite proteine ​​motorie nelle cellule biologiche, ma le dimensioni effettive delle particelle coinvolte. "Le particelle che sono più fortemente influenzate dall'attrito, per le loro grandi dimensioni, vengono anche trasportati ulteriormente:questo è ciò che conta per l'ordinamento in base alle dimensioni, "dice Andriy Goychuk, anche co-autore del documento.

Con questi risultati, il team ha dimostrato il coinvolgimento di una forma di trasporto puramente fisica (anziché biologica) basata sulla diffusioforesi in un sistema di formazione di modelli biologici. "Questo processo è così semplice e fondamentale che sembra probabile che svolga un ruolo anche in altri processi cellulari, e potrebbe anche essere stato impiegato nelle prime cellule all'origine della vita, " dice Frey. "E in futuro, potrebbe anche essere possibile utilizzarlo per posizionare molecole in siti specifici all'interno di cellule minime artificiali, " Aggiunge.