Το πλαίσιο έχει σημασία. Είναι αλήθεια για πολλές πτυχές της ζωής, συμπεριλαμβανομένων των μικροσκοπικών μοριακών μηχανών που εκτελούν ζωτικές λειτουργίες μέσα στα κύτταρά μας.

Οι επιστήμονες συχνά καθαρίζουν κυτταρικά συστατικά, όπως πρωτεΐνες ή οργανίδια, προκειμένου να τα εξετάσουν ξεχωριστά. Ωστόσο, μια νέα μελέτη δημοσιεύτηκε σήμερα στο περιοδικό Φύση προτείνει ότι αυτή η πρακτική μπορεί να αλλάξει δραστικά τα εν λόγω συστατικά.

Οι ερευνητές επινόησαν μια μέθοδο για τη μελέτη μιας μεγάλης δομής σε σχήμα ντόνατ που ονομάζεται σύμπλεγμα πυρηνικών πόρων (NPC) απευθείας μέσα στα κύτταρα. Τα αποτελέσματά τους αποκάλυψαν ότι ο πόρος είχε μεγαλύτερες διαστάσεις από ό, τι πιστεύαμε, τονίζοντας τη σημασία της ανάλυσης πολύπλοκων μορίων στο φυσικό τους περιβάλλον.

«Έχουμε δείξει ότι το κυτταρικό περιβάλλον έχει σημαντικό αντίκτυπο σε μεγάλες δομές όπως το NPC, κάτι που δεν περιμέναμε όταν ξεκινήσαμε», λέει ο Thomas Schwartz, καθηγητής Βιολογίας Boris Magasanik στο MIT και συνεργάτης της μελέτης. ανώτερος συγγραφέας. "Οι επιστήμονες έχουν γενικά σκεφτεί ότι τα μεγάλα μόρια είναι αρκετά σταθερά για να διατηρήσουν τις θεμελιώδεις ιδιότητές τους τόσο εντός όσο και εκτός ενός κυττάρου, αλλά τα ευρήματά μας ανατρέπουν αυτήν την υπόθεση".

Σε ευκαρυώτες όπως οι άνθρωποι και τα ζώα, το μεγαλύτερο μέρος του DNA ενός κυττάρου αποθηκεύεται σε μια στρογγυλεμένη δομή που ονομάζεται πυρήνας. Αυτό το οργανίδιο προστατεύεται από το πυρηνικό περίβλημα, ένα προστατευτικό φράγμα που χωρίζει το γενετικό υλικό στον πυρήνα από το παχύ υγρό που γεμίζει το υπόλοιπο κύτταρο. Αλλά τα μόρια χρειάζονται ακόμα έναν τρόπο να εισέρχονται και να βγαίνουν από τον πυρήνα προκειμένου να διευκολύνουν σημαντικές διαδικασίες, συμπεριλαμβανομένης της γονιδιακής έκφρασης. Εκεί έρχεται το NPC. Εκατοντάδες - μερικές φορές χιλιάδες - από αυτούς τους πόρους είναι ενσωματωμένοι στο πυρηνικό περίβλημα, δημιουργώντας πύλες που επιτρέπουν σε ορισμένα μόρια να περάσουν.

Ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, πρώην μεταδιδάκτορας του MIT, Anthony Schuller, συγκρίνει τα NPC με τις πύλες σε ένα αθλητικό στάδιο. "Αν θέλετε να έχετε πρόσβαση στο παιχνίδι μέσα, πρέπει να δείξετε το εισιτήριό σας και να περάσετε από μία από αυτές τις πύλες", εξηγεί.

Το NPC μπορεί να είναι μικρό για τα ανθρώπινα πρότυπα, αλλά είναι μια από τις μεγαλύτερες δομές στο κύτταρο. Αποτελείται από περίπου 500 πρωτεΐνες, γεγονός που καθιστά τη δομή του δύσκολο να αναλυθεί. Παραδοσιακά, οι επιστήμονες το χωρίζουν σε μεμονωμένα συστατικά για να το μελετήσουν αποσπασματικά χρησιμοποιώντας μια μέθοδο που ονομάζεται κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ. Σύμφωνα με τον Schwartz, η τεχνολογία που απαιτείται για την ανάλυση του NPC σε ένα πιο φυσικό περιβάλλον έγινε πρόσφατα διαθέσιμη.

Μαζί με ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Ζυρίχης, ο Schuller και ο Schwartz χρησιμοποίησαν δύο προσεγγίσεις αιχμής για να λύσουν τη δομή του πόρου: άλεση κρυο-επικεντρωμένης δέσμης ιόντων (cryo-FIB) και τομογραφία κρυοηλεκτρονικού (cryo-ET).

Ένα ολόκληρο κύτταρο είναι πολύ παχύ για να το δούμε κάτω από ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Αλλά οι ερευνητές έκοψαν κατεψυγμένα κύτταρα του παχέος εντέρου σε λεπτά στρώματα χρησιμοποιώντας τον εξοπλισμό κρυο-FIB που στεγάζεται στο MIT.nano's Center for Automated Cryogenic Electron Microscopy και το Koch Institute for Integrative Cancer Research's Peterson (1957) Nanotechnology Materials Core Facility. Με αυτόν τον τρόπο, η ομάδα κατέλαβε διατομές των κυψελών που περιλάμβαναν NPCs, αντί να κοιτάζει απλά τα NPCs μεμονωμένα.

«Το εκπληκτικό με αυτήν την προσέγγιση είναι ότι ελάχιστα έχουμε χειριστεί το κελί», λέει ο Schwartz. «Δεν έχουμε διαταράξει την εσωτερική δομή του κυττάρου. Αυτή είναι η επανάσταση ».

Αυτό που είδαν οι ερευνητές όταν είδαν τις μικροσκοπικές τους εικόνες ήταν πολύ διαφορετικό από τις υπάρχουσες περιγραφές του NPC. Με έκπληξη διαπίστωσαν ότι η εσωτερική δομή δακτυλίου, που σχηματίζει το κεντρικό κανάλι του πόρου, είναι πολύ ευρύτερη από ό, τι πιστεύαμε. Όταν αφεθεί στο φυσικό του περιβάλλον, ο πόρος ανοίγει έως και 57 νανόμετρα - με αποτέλεσμα την αύξηση του όγκου κατά 75 τοις εκατό σε σύγκριση με τις προηγούμενες εκτιμήσεις. Η ομάδα ήταν επίσης σε θέση να ρίξει μια πιο προσεκτική ματιά στον τρόπο με τον οποίο τα διάφορα συστατικά του NPC συνεργάζονται για να καθορίσουν τις διαστάσεις και τη συνολική αρχιτεκτονική του πόρου.

"Έχουμε δείξει ότι το κυτταρικό περιβάλλον επηρεάζει τη δομή του NPC, αλλά τώρα πρέπει να καταλάβουμε πώς και γιατί", λέει ο Schuller. Δεν μπορούν να καθαριστούν όλες οι πρωτεΐνες, προσθέτει, οπότε ο συνδυασμός κρυο-ΕΤ και κρυο-FIB θα είναι επίσης χρήσιμος για την εξέταση μιας ποικιλίας άλλων κυτταρικών συστατικών. "Αυτή η διπλή προσέγγιση ξεκλειδώνει τα πάντα."

«Το έγγραφο απεικονίζει όμορφα πώς η τεχνική πρόοδος, στην προκειμένη περίπτωση η τομογραφία κρυοηλεκτρονίου σε ανθρώπινα κύτταρα που έχουν επικεντρωθεί σε κρυο-ιόντα, παρέχουν μια νέα εικόνα των κυτταρικών δομών», λέει ο Wolfram Antonin, καθηγητής βιοχημείας στο Πανεπιστήμιο RWTH Aachen στη Γερμανία. δεν συμμετείχε στη μελέτη. Το γεγονός ότι η διάμετρος του κεντρικού καναλιού μεταφοράς του NPC είναι μεγαλύτερη από ό, τι πιστεύαμε, υποδηλώνει ότι ο πόρος θα μπορούσε να έχει εντυπωσιακή δομική ευελιξία. «Αυτό μπορεί να είναι σημαντικό για το κύτταρο να προσαρμοστεί στις αυξημένες απαιτήσεις μεταφοράς», εξηγεί ο Αντονίν.

Στη συνέχεια, οι Schuller και Schwartz ελπίζουν να καταλάβουν πώς το μέγεθος του πόρου επηρεάζει ποια μόρια μπορούν να περάσουν. Για παράδειγμα, οι επιστήμονες μόλις πρόσφατα διαπίστωσαν ότι ο πόρος ήταν αρκετά μεγάλος για να επιτρέψει στον πυρήνα άθικτους ιούς όπως ο HIV. Η ίδια αρχή ισχύει για τις ιατρικές θεραπείες: μόνο τα κατάλληλα μεγέθη φάρμακα με συγκεκριμένες ιδιότητες θα μπορούν να έχουν πρόσβαση στο DNA του κυττάρου.

Ο Schwartz είναι ιδιαίτερα περίεργος να μάθει αν όλα τα NPCs δημιουργούνται ίσα ή αν η δομή τους διαφέρει μεταξύ ειδών ή τύπων κυττάρων.

"Πάντα χειριζόμασταν τα κελιά και βγάζαμε τα μεμονωμένα συστατικά από το φυσικό τους περιβάλλον", λέει. «Τώρα γνωρίζουμε ότι αυτή η μέθοδος μπορεί να έχει πολύ μεγαλύτερες συνέπειες από ό, τι πιστεύαμε».