cellule aderenti, il tipo che forma l'architettura di tutti gli organismi multicellulari, sono progettati meccanicamente con forze precise che consentono loro di muoversi e aderire alle cose. Le proteine ​​chiamate recettori delle integrine agiscono come piccole mani e piedi per trascinare queste cellule su una superficie o per ancorarle in posizione. Quando gruppi di queste cellule vengono inseriti in una capsula di Petri con una varietà di substrati, possono percepire le differenze nelle superfici e "strisciare" verso quella più rigida che riescono a trovare.

Ora i chimici hanno ideato un metodo che utilizza sonde di tensione basate sul DNA per ingrandire a livello molecolare e misurare e mappare questi fenomeni:come le cellule percepiscono meccanicamente i loro ambienti, migrare e aderire alle cose.

Comunicazioni sulla natura pubblicato la ricerca, guidato dal laboratorio di Khalid Salaita, assistente professore di chimica biomolecolare alla Emory University. I coautori includono ingegneri meccanici e biologici della Georgia Tech.

Usando il loro nuovo metodo, i ricercatori hanno mostrato come le forze applicate dalle cellule dei fibroblasti siano effettivamente distribuite a livello di singola molecola. "Abbiamo scoperto che ciascuno dei recettori delle integrine sul perimetro delle cellule sta fondamentalmente "sentendo" i meccanismi del suo ambiente, " dice Salaita. "Se la superficie che sentono è più morbida, si slegheranno da esso e se è più rigido, si legheranno. A loro piace piantare i loro pali in un terreno solido".

Ogni cellula ha migliaia di questi recettori dell'integrina che attraversano la membrana cellulare. I biologi cellulari si sono a lungo concentrati sugli aspetti chimici di come i recettori delle integrine percepiscono l'ambiente e interagiscono con esso, mentre la comprensione degli aspetti meccanici ritardava. La meccanica cellulare è un campo relativamente nuovo ma in crescita, che coinvolge anche i biofisici, ingegneri, chimici e altri specialisti.

"Molte cose buone e cattive che accadono nel corpo sono mediate da questi recettori delle integrine, tutto, dalla guarigione delle ferite al cancro metastatico, quindi è importante avere un quadro più completo di come funzionano questi meccanismi, " dice Salaita.

Il laboratorio Salaita aveva precedentemente sviluppato una tecnica con sensore fluorescente per visualizzare e misurare le forze meccaniche sulla superficie di una cellula utilizzando polimeri flessibili che agiscono come minuscole molle. Queste molle sono chimicamente modificate ad entrambe le estremità. Un'estremità riceve un sensore di accensione basato sulla fluorescenza che si legherà a un recettore dell'integrina sulla superficie cellulare. L'altra estremità è ancorata chimicamente a un vetrino da microscopio ea una molecola che estingue la fluorescenza. Quando la forza viene applicata alla molla in polimero, si estende. La distanza dal quencher aumenta e il segnale fluorescente si accende e diventa più luminoso. La misurazione della quantità di luce fluorescente emessa determina la quantità di forza esercitata.

Yun Zhang, un co-autore del Comunicazioni sulla natura paper e uno studente laureato nel laboratorio Salaita, ha avuto l'idea di utilizzare segnali molecolari di DNA invece di polimeri flessibili. "Era nuova nel laboratorio e ha portato una nuova prospettiva, " dice Salaita.

I segnali molecolari sono brevi frammenti di DNA sintetizzato in laboratorio, ciascuno composto da circa 20 paia di basi, utilizzato nella diagnostica clinica e nella ricerca. I fari sono chiamati forcine DNA a causa della loro forma.

La termodinamica del DNA, la sua struttura a doppia elica e l'energia necessaria per piegarsi sono ben comprese, rendendo le forcine del DNA strumenti più raffinati per misurare la forza. Un altro vantaggio chiave è il fatto che le loro estremità sono costantemente alla stessa distanza l'una dall'altra, Salaita dice, a differenza delle bobine casuali dei polimeri flessibili.

Negli esperimenti, le forcine del DNA si sono rivelate funzionare più come un interruttore a levetta che come un interruttore dimmer. "Le sonde di tensione a base di polimeri si srotolano gradualmente e diventano più luminose man mano che viene applicata più forza, " dice Salaita. "Al contrario, Le forcine del DNA non si muovono finché non si applica una certa quantità di forza. E una volta applicata quella forza, iniziano a decomprimersi e continuano a districarsi."

Inoltre, i ricercatori sono stati in grado di calibrare la costante di forza delle forcine del DNA, rendendoli altamente sintonizzabili, strumenti digitali per il calcolo della forza applicata da una molecola, fino al livello del piconewton.

"La forza di gravità su una mela è di circa un newton, quindi stiamo parlando di un milione-milionesimo di quello, " Dice Salaita. "È un po' sbalorditivo che sia così poca forza necessaria per dispiegare un pezzo di DNA".

Il risultato è una sonda di tensione tre volte più sensibile delle sonde polimeriche.

In un documento separato, pubblicato in Nano lettere , il laboratorio Salaita ha utilizzato le sonde a base di DNA per sperimentare come la densità di un substrato influisce sulla forza applicata. "Intuitivamente si potrebbe pensare che un ambiente meno denso, offrendo meno punti di ancoraggio, comporterebbe più forza per ancoraggio, "Ha detto Salaita. "Abbiamo scoperto che in realtà è il contrario:vedrai meno forza per ancoraggio".

Il meccanismo di rilevamento della spaziatura del ligando e dell'adesione a un substrato sembra essere mediato dalla forza, lui dice. "I recettori dell'integrina devono essere ravvicinati in modo che il motore nella cellula che genera la forza possa impegnarsi con loro e impegnare la forza".

Ora i ricercatori stanno utilizzando gli strumenti basati sul DNA che hanno sviluppato per studiare le forze di percorsi e recettori cellulari più sensibili.

"I recettori delle integrine sono una specie di bestie, applicano forze relativamente elevate per aderire alla matrice extracellulare, "Dice Salaita. "Ci sono molti diversi recettori cellulari che applicano forze molto più deboli".

cellule T, Per esempio, sono globuli bianchi i cui recettori sono focalizzati non sull'adesione ma su attività come distinguere un auto-peptide amico da un peptide batterico estraneo.

Il laboratorio Salaita sta collaborando con ricercatori medici di tutta Emory per comprendere il ruolo della meccanica cellulare nel sistema immunitario, coagulazione del sangue e patterning neurale degli assoni.

"Fondamentalmente, la nostra premessa è che la meccanica gioca un ruolo in quasi tutti i processi biologici, e con queste sonde di tensione basate sul DNA scopriremo, misurare e mappare quelle forze, " dice Salaita.