I ricercatori del Mechanobiology Institute (MBI) della National University of Singapore hanno sviluppato un nuovo metodo, utilizzando la microscopia a super risoluzione, per determinare la lunghezza delle proteine ​​allungate nelle cellule viventi, e monitorare il legame dinamico delle proteine, a tempi inferiori al secondo. Questo studio è stato pubblicato in Nano lettere nel maggio 2016.

Le cellule sono costantemente esposte a forze meccaniche. Questi segnali influenzano il processo decisionale cellulare fornendo alle cellule le informazioni necessarie per determinare la quantità di una particolare proteina da produrre, quando un gene specifico dovrebbe essere espresso, o anche se una cellula dovrebbe muoversi o rimanere dov'è. Tali informazioni sono fondamentali, Per esempio, nel mantenimento della salute, integrità e riparazione dei tessuti con l'avanzare dell'età. Un chiaro esempio di quando le cellule sono esposte a forze è quando camminiamo. All'interno dei nostri muscoli vengono generate forze di allungamento o trazione, e questi sono passati attraverso il muscolo al tessuto connettivo e all'osso. Sebbene queste informazioni siano generate a livello tissutale, converge su singole cellule all'interno di quei tessuti, e viene rilevato e misurato da subcellulare, a base di proteine, macchine.

Per misurare le forze applicate a una cella, proteine ​​specializzate possono essere deformate. Un modo comune in cui ciò si verifica è quando una proteina viene allungata, proprio come un elastico si allunga quando è sottoposto a forze di trazione. L'allungamento delle proteine ​​può esporre regioni al loro interno che altrimenti sarebbero nascoste. Queste regioni possono fungere da siti di attracco per l'attacco di altre proteine. Questo porta ad un effetto valanga, in cui sempre più proteine ​​sono in grado di legarsi, e complessi molecolari o macchine più grandi si formano per mediare una specifica funzione cellulare. Questo fenomeno è stato recentemente esplorato dal Direttore di MBI, Professor Michael Sheetz, Senior Research Fellow Dr Felix Margadant e dottoranda Ms Xian Hu (Edna), nel lavoro incentrato sulla caratterizzazione dello stiramento di una proteina sensibile alla forza nota come talin, e stabilire l'effetto che ha sul legame di un'altra proteina chiamata vinculina.

Sebbene diversi studi abbiano dimostrato lo stiramento indotto dalla forza del legame talin e talin-vinculina in vitro, la visualizzazione simultanea di entrambi questi eventi e la loro correlazione a specifiche funzioni cellulari non era precedentemente possibile nelle cellule viventi a causa delle rapide scale temporali in cui si verificano. Anche, l'esecuzione di immagini multicolori a super risoluzione nelle cellule viventi è ancora molto difficile. Per superare queste sfide, Il professor Sheetz e la signora Hu hanno sviluppato un romanzo, e un metodo di imaging a super risoluzione altamente avanzato, che ha permesso loro di monitorare contemporaneamente la lunghezza della talina nelle cellule viventi, così come la dinamica del legame della vincolina, a livello di singola molecola e su scala temporale di millisecondi.

Attaccando diverse molecole fluorescenti (GFP e mCherry), a ciascuna estremità della talina e un terzo fluoroforo (Atto655) alla vinculina, i ricercatori potrebbero monitorare la precisa posizione subcellulare di ciascuna proteina, e confermare che quando talin veniva allungato, vinculina legata ai siti appena esposti. interessante, i loro risultati hanno spesso rivelato un legame cluster, con cinque o più molecole di vinculina che si legano alla talina in un secondo. Inoltre, il legame delle prime vinculine sembrava favorire energeticamente il successivo legame di più molecole di vinculine. Correlare le dinamiche di legame della vincolina con la quantità di stiramento della talina, i ricercatori hanno notato che il massimo legame della vinculina si è verificato a un'estremità specifica di talin (la regione N-terminale), quando il talin è stato allungato a circa 180 nm.

Capire come talin e vinculina rispondono alle forze di stiramento è fondamentale per capire come le cellule rispondono alle forze nei nostri corpi. In questo caso, entrambe le proteine ​​si trovano in macchinari molecolari più grandi chiamati adesioni focali, che collegano fisicamente l'interno di una cellula con il materiale che circonda la cellula, la matrice extracellulare. Le adesioni focali funzionano principalmente come centri di trasmissione del segnale, e le informazioni che trasferiscono possono indurre la crescita cellulare e il movimento cellulare. Quando questa elaborazione del segnale viene interrotta, o non è regolamentato, sorgono stati patologici e la capacità del corpo di guarire le ferite, o mantenere l'integrità dei tessuti con l'avanzare dell'età diventa compromessa.

Sebbene sia importante per facilitare questi processi cellulari e tissutali più ampi, l'interazione talin-vinculina è solo una delle tante interazioni proteiche per rispondere alla forza. Si spera che questo metodo appena descritto apra la strada ai ricercatori per sezionare altre interazioni proteiche, sia all'interno di aderenze focali, e in altre macchine molecolari, per migliorare la nostra comprensione dei molti processi cellulari forzati che sorgono durante lo sviluppo e continuano fino all'invecchiamento.