Программирование клеток для организации их молекул может открыть путь к новым методам лечения

Исследователи могут модифицировать клетки для экспрессии новых генов и производства специфических белков, снабжая их новыми компонентами. Однако гораздо сложнее дать клеткам инструкции о том, как организовать и использовать эти новые части. Новые инструменты, разработанные исследователями из Университета Висконсин-Мэдисон, предлагают инновационный подход к решению этой проблемы.

Исследование опубликовано в журнале Cell.

Все функции клетки зависят от того, как организованы молекулы внутри неё. Внутри наших клеток — всех клеток — белки и другие молекулы подвергаются организации и реорганизации для выполнения клеточных функций. Подобно флоту пригородных поездов, движущихся по расписанию по разным маршрутам, белки внутри клетки организованы во времени и пространстве для выполнения сложных, но предсказуемых функций.

Хотя необходимость организации молекул внутри клетки универсальна для всех живых организмов, конкретные белки и механизмы, ответственные за эту организацию, различаются. Например, в системе, специфичной для бактериальных клеток, белки MinD и MinE — известные под общим названием MinDE — взаимодействуют друг с другом вдоль клеточной мембраны, создавая волнообразные паттерны, которые способствуют движению молекул внутри клетки.

Неправильная организация молекул внутри клетки может иметь серьёзные последствия, включая неравномерное деление клеток и нарушение коммуникации внутри и между клетками. Оба этих нарушения связаны с нарушениями развития и заболеваниями, такими как рак.

Механизмы, с помощью которых молекулы организуются и взаимодействуют друг с другом, были отточены за тысячелетия эволюции. Когда учёные модифицируют клетки для производства новых молекул, сложно заставить клетки использовать эти новые молекулы, не нарушив непреднамеренно другие естественные клеточные функции.

Биохимики из UW–Madison разработали инструмент для управления движением и организацией специфических белков в клетках млекопитающих, не затрагивая другие белки. Их новый инструмент использует волны и колебания, возникающие в результате взаимодействий между белками MinDE, которые встречаются только у бактерий и не мешают функционированию клеток млекопитающих.

Сконструировав взаимодействия между белками MinDE и белками, представляющими интерес, исследователи создали высокоспецифичные паттерны для организации молекул внутри клеток млекопитающих и индукции клеточного поведения и функций. Инструмент позволяет исследователям настраивать и изменять паттерны в ответ на стимулы, по сути программируя молекулы на перемещение по клетке в определённые места с течением времени.

Этот инновационный инструмент имеет множество потенциальных применений для учёных, заинтересованных в создании специфической клеточной активности или изучении клеточной активности в живом организме.

• Контроль клеточной активности: Управление соотношением белков MinDE позволяет исследователям проектировать паттерны движения, которые определяют, как молекулы организованы в клетке. Это можно использовать для координации клеточной активности, такой как движение или коммуникация с другими клетками.
• Изучение клеточной активности: Разнообразие паттернов движения также можно использовать для изучения клеточной активности. Поскольку каждое соотношение белков MinDE создаёт уникальный колебательный паттерн, эти белки можно ввести в группу клеток, чтобы дать каждой клетке свой собственный паттерн — индивидуальный маячок, который позволяет исследователям легче наблюдать за каждой клеткой.
• Анализ сигнальных путей: Уникальные паттерны можно использовать для анализа сигнальных паттернов клетки, чтобы узнать о форме, местоположении и сигнальной активности каждой отдельной клетки. Исследователи из лаборатории Coyle UW–Madison сравнивают это использование инструмента с настройкой FM-радио, поскольку он позволяет им «настраиваться» на уникальные данные, которые излучает каждая клетка в многоклеточной системе — задача, которая обычно очень сложна.

Лаборатория Coyle планирует продолжить изучение применения этого инструмента, включая исследование динамики сигнальных путей в опухолях — классического примера нарушения клеточного поведения и функций.