Forschungsteam entwickelt einen Nano

21. August 2023

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von der Universität Tampere

In vielen Fällen sind Zellen in ihrer Bewegung sehr aktiv und dienen als Stromgeneratoren. Die Fähigkeit von Zellen, physikalische Kräfte zu erzeugen, gehört zu den Grundfunktionen des Körpers. Beim Laufen beispielsweise bewirken die in den Zellen erzeugten Kräfte, dass sich die Muskeln zusammenziehen und die Atmung funktioniert. Selbst die Kräfte, denen einzelne Proteine ​​ausgesetzt sind, konnten mit in der Vergangenheit entwickelten Kraftsensoren gemessen werden, während intrazelluläre Kräfte und mechanische Belastungen bisher nicht gemessen werden konnten.

Zusammen mit den Wissenschaftlern der Ohio State University (OSU) haben Zellbiologieforscher der Universität Tampere einen Kraftsensor entwickelt, der an der Seite eines mechanisch reagierenden Proteins angebracht werden kann und es ihm ermöglicht, Kräfte und Belastungen auf das Protein innerhalb der Zelle zu erfassen.

Die Entwicklung des Mikrosensors begann auf einer Konferenzreise im Dezember 2019.

„Der kraftempfindliche Teil ist wie ein Gummiband, das seine Farbe ändert, wenn es gedehnt wird. Dieser Teil ist an den Antikörpern an beiden Enden des Gummibandes befestigt, die an das untersuchte zelluläre Zielprotein binden. Die Kraft oder Dehnung des untersuchten Proteins.“ kann dann unter einem Mikroskop erkannt werden, indem man die Dehnung des Gummibandes verfolgt, also die Farbe, die es erzeugt“, sagt Teemu Ihalainen, Senior Research Fellow von BioMediTech an der Universität Tampere.

Laut Ihalainen lässt sich der nur etwa zwanzig Nanometer große Kraftsensor problemlos auf ein breites Spektrum zellbiologischer Forschung und verschiedene Zielproteine ​​übertragen. Mit Hilfe des Protein-Biosensors können Kräfte beispielsweise in der Kernmembran, zwischen verschiedenen Proteinen oder allgemein im Zytoskelett der Zelle gemessen werden. Damit lässt sich erstmals die Mechanik der Zelle sichtbar machen.

In verschiedenen Laboren in Japan, Indien, Norwegen und den USA besteht bereits großes Interesse an dieser Technologie.

Sowohl bei normalen Körperfunktionen als auch bei Krankheiten sind Zellen ständig Kräften ausgesetzt.

Wenn beispielsweise eine Krebszelle wächst und sich bewegt, sind sie mechanischen Kräften ausgesetzt. Während sich der Krebs ausbreitet, beispielsweise wenn er in Blut- oder Lymphgefäße gelangt, muss sich die Krebszelle durch enge Lücken in ihrer Mikroumgebung zwängen. Daher sind Krebszellen starken Druck- und Dehnungskräften ausgesetzt, die zum Zerfall einiger Zellen führen können. Eine Schädigung des Zellkerns kann die Struktur seines Genoms verändern, was in manchen Situationen sogar die Entstehung von Krebs begünstigen kann.

„Mit Hilfe von Sensoren können die Mechanismen von Krebs und damit verbundenen Prozessen aus einer völlig neuen Perspektive überwacht werden“, erwähnt Ihalainen.

Die Studie wurde in Nature Communications veröffentlicht.

Eine weitere aktuelle Studie verfeinerte die Expansionsmikroskopie durch die Kombination von Fachwissen aus Zellbiologie und Signalverarbeitung. An der Studie waren neben Zellbiologieforschern auch Bildgebungsspezialisten der Fakultät für Ingenieur- und Naturwissenschaften der Universität Tampere und Virologen der Universität Jyväskylä beteiligt.

Die Auflösung der Lichtmikroskopie ist begrenzt, da die Details kleiner Strukturen in der Probe aufgrund der Wechselwirkung zwischen Linse und Licht unscharf sind. Verschiedene Techniken der hochauflösenden Mikroskopie ermöglichen jedoch die Trennung sehr kleiner Details. Eine dieser Techniken ist die sogenannte Expansionsmikroskopie, deren Prinzip darin besteht, ein Objekt, beispielsweise eine Zelle, physisch zu vergrößern und so die winzigen Dinge in ihrem Inneren zu betrachten. In der Praxis wird die Probe in ein weiches Gel gegossen, das sich um das Vierfache oder mehr ausdehnen lässt und zudem alle Details der Probe vergrößert.

„Das Problem bestand jedoch darin, dass je kleinere Details der Zelle untersucht werden, desto weniger Moleküle sichtbar sind. Das bedeutet, dass von der Probe weniger Signale, also Informationen, erfasst wurden und normalerweise viel Rauschen auftritt.“ „Es ist ein bisschen wie Schnee auf einem Fernsehbildschirm“, sagt Ihalainen.

Die Forschungsgruppe fand heraus, dass die Lösung des Problems in einer wiederholten Fluoreszenzmarkierung der Zellen liegen könnte. Sie kamen auf die Idee, die Zielproteine ​​mehrfach zu markieren, um sie heller erscheinen zu lassen und mehr Informationen zu liefern.

„In der Praxis haben wir mehr fluoreszierende Moleküle zu den Zielproteinen gepumpt, als würden wir Reflektoren hinzufügen. Die einfache und unkomplizierte Methode verbesserte die Auflösung und den Kontrast des Bildes erheblich. Außerdem wurde das Rauschen rechnerisch aus den Bildern entfernt, was noch weiter ging.“ „Die Bildschärfe wurde erhöht“, erwähnt er.

Im Gegensatz zu vielen hochauflösenden Mikroskopietechniken erfordert die Expansionsmikroskopie keine teuren Instrumente und ist einfach zu implementieren. Die von den Forschern entwickelte Technik ist besonders nützlich, um wirklich kleine Details zu untersuchen. Die Struktur des 120-Nanometer-Herpesvirus beispielsweise zu betrachten, ist mittlerweile auch mit einem Lichtmikroskop möglich. Mit der herkömmlichen Lichtmikroskopie sind Viren nur als einzelne Punkte sichtbar.

Die Studie „Iterative Immunfärbung kombiniert mit Expansionsmikroskopie und Bildverarbeitung enthüllt die nanoskopische Netzwerkorganisation der Kernschicht“ wurde in der Zeitschrift Molecular Biology of the Cell veröffentlicht.

Mehr Informationen: Brooke E. Danielsson et al., Nukleare Lamina-Spannungszustände, die durch einen Biosensor mit intermolekularer Kraft aufgedeckt werden, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-39563-6

Elina Mäntylä et al., Iterative Immunfärbung in Kombination mit Expansionsmikroskopie und Bildverarbeitung enthüllt die nanoskopische Netzwerkorganisation der Kernschicht, Molekularbiologie der Zelle (2023). DOI: 10.1091/mbc.E22-09-0448

Zeitschrifteninformationen:Nature Communications, Molekularbiologie der Zelle

Zur Verfügung gestellt von der Universität Tampere