"Nuestra premisa es que la mecánica juega un papel en casi todos los procesos biológicos, y con estas sondas de tensión basadas en ADN vamos a descubrir, medir y mapear esas fuerzas, ”Dice el químico biomolecular Khalid Salaita. Crédito:Victor Ma.
Células adherentes, del tipo que forma la arquitectura de todos los organismos multicelulares, están diseñados mecánicamente con fuerzas precisas que les permiten moverse y adherirse a las cosas. Las proteínas llamadas receptores de integrina actúan como pequeñas manos y pies para tirar de estas células a través de una superficie o anclarlas en su lugar. Cuando grupos de estas células se colocan en una placa de Petri con una variedad de sustratos, pueden sentir las diferencias en las superficies y se "arrastran" hacia la más rígida que puedan encontrar.
Ahora, los químicos han ideado un método que utiliza sondas de tensión basadas en ADN para acercarse al nivel molecular y medir y mapear estos fenómenos:cómo las células perciben mecánicamente sus entornos, migrar y adherirse a las cosas.
Comunicaciones de la naturaleza publicó la investigación, dirigido por el laboratorio de Khalid Salaita, profesor asistente de química biomolecular en la Universidad de Emory. Los coautores incluyen ingenieros mecánicos y biológicos de Georgia Tech.
Usando su nuevo método, los investigadores mostraron cómo las fuerzas aplicadas por las células de fibroblastos se distribuyen realmente a nivel de molécula individual. "Descubrimos que cada uno de los receptores de integrina en el perímetro de las células básicamente 'siente' la mecánica de su entorno, "Dice Salaita." Si la superficie que sienten es más suave, se desprenderán de él y si es más rígido, ellos se unirán. Les gusta plantar sus estacas en tierra firme ".
Cada célula tiene miles de estos receptores de integrina que atraviesan la membrana celular. Los biólogos celulares se han centrado durante mucho tiempo en los aspectos químicos de cómo los receptores de integrina detectan el entorno e interactúan con él. mientras que la comprensión de los aspectos mecánicos se retrasó. La mecánica celular es un campo relativamente nuevo pero en crecimiento, que también involucra a biofísicos, ingenieros químicos y otros especialistas.
"Muchas cosas buenas y malas que suceden en el cuerpo están mediadas por estos receptores de integrina, todo, desde la cicatrización de heridas hasta el cáncer metastásico, por lo que es importante tener una idea más completa de cómo funcionan estos mecanismos, "Dice Salaita.
El laboratorio de Salaita desarrolló previamente una técnica de sensor fluorescente para visualizar y medir las fuerzas mecánicas en la superficie de una celda utilizando polímeros flexibles que actúan como pequeños resortes. Estos resortes están modificados químicamente en ambos extremos. Un extremo tiene un sensor de encendido basado en fluorescencia que se unirá a un receptor de integrina en la superficie celular. El otro extremo está anclado químicamente a un portaobjetos de microscopio y una molécula que apaga la fluorescencia. A medida que se aplica fuerza al resorte de polímero, se extiende. La distancia desde el extintor aumenta y la señal fluorescente se enciende y se vuelve más brillante. La medición de la cantidad de luz fluorescente emitida determina la cantidad de fuerza que se ejerce.
Yun Zhang, un coautor de la Comunicaciones de la naturaleza papel y estudiante de posgrado en el laboratorio de Salaita, tuvo la idea de utilizar balizas moleculares de ADN en lugar de polímeros flexibles. "Era nueva en el laboratorio y aportó una nueva perspectiva, "Dice Salaita.
Los receptores de integrina en las células de fibroblastos, encima, "son una especie de bestias, "Dice Salaita." Ellos aplican fuerzas relativamente altas para adherirse a la matriz extracelular ". Crédito:Foto de NIH.
Las balizas moleculares son pequeñas piezas de ADN sintetizado en laboratorio, cada uno consta de unos 20 pares de bases, utilizado en el diagnóstico clínico y la investigación. Las balizas se denominan horquillas de ADN debido a su forma.
La termodinámica del ADN, su estructura de hélice de doble hebra y la energía necesaria para que se pliegue se comprenden bien, haciendo que las horquillas de ADN sean instrumentos más refinados para medir la fuerza. Otra ventaja clave es el hecho de que sus extremos están consistentemente a la misma distancia entre sí, Salaita dice, a diferencia de las bobinas aleatorias de polímeros flexibles.
En experimentos, las horquillas de ADN resultaron funcionar más como un interruptor de palanca que como un regulador de intensidad. "Las sondas de tensión a base de polímero se desenrollan gradualmente y se vuelven más brillantes a medida que se aplica más fuerza, "Salaita dice". En contraste, Las horquillas de ADN no se mueven hasta que aplica una cierta cantidad de fuerza. Y una vez que se aplica esa fuerza, comienzan a descomprimirse y simplemente se siguen desenredando ".
Además, los investigadores pudieron calibrar la constante de fuerza de las horquillas de ADN, haciéndolos altamente sintonizables, instrumentos digitales para calcular la cantidad de fuerza aplicada por una molécula, hasta el nivel de piconewton.
"La fuerza de gravedad en una manzana es de aproximadamente un newton, así que estamos hablando de una millonésima parte de eso, "Dice Salaita." Es un poco alucinante que esa es la poca fuerza que se necesita para desplegar un fragmento de ADN ".
El resultado es una sonda de tensión que es tres veces más sensible que las sondas de polímero.
En un papel aparte, publicado en Nano letras , el laboratorio de Salaita utilizó las sondas basadas en ADN para experimentar cómo la densidad de un sustrato afecta la fuerza aplicada. "Intuitivamente, podría pensar que un entorno menos denso, ofreciendo menos puntos de anclaje, daría como resultado más fuerza por ancla, "Dijo Salaita." Descubrimos que en realidad es lo contrario:vas a ver menos fuerza por ancla ".
El mecanismo de detección del espaciado de ligandos y la adhesión a un sustrato parece estar mediado por la fuerza, él dice. "Los receptores de integrina deben estar muy espaciados para que el motor de la célula que genera la fuerza se conecte con ellos y aplique la fuerza".
Ahora los investigadores están utilizando las herramientas basadas en ADN que han desarrollado para estudiar las fuerzas de vías y receptores celulares más sensibles.
"Los receptores de integrina son una especie de bestias, aplican fuerzas relativamente altas para adherirse a la matriz extracelular, "Dice Salaita." Hay muchos receptores celulares diferentes que aplican fuerzas mucho más débiles ".
Las células T son glóbulos blancos cuyos receptores no se centran en la adhesión, sino en actividades como identificar varios péptidos. Micrografía electrónica de una célula T humana por NIAID / NIH.
Células T, por ejemplo, son glóbulos blancos cuyos receptores no se centran en la adhesión, sino en actividades como distinguir un péptido propio amistoso de un péptido bacteriano extraño.
El laboratorio de Salaita está colaborando con investigadores médicos de Emory para comprender el papel de la mecánica celular en el sistema inmunológico. coagulación sanguínea y patrón neural de axones.
"Básicamente, nuestra premisa es que la mecánica juega un papel en casi todos los procesos biológicos, y con estas sondas de tensión basadas en ADN que vamos a descubrir, medir y mapear esas fuerzas, "Dice Salaita.
