Usando un microscopio de fuerza atómica de barrido ultrarrápido, un equipo de investigadores de la Universidad de Basilea ha filmado complejos de poros nucleares "vivos" en funcionamiento por primera vez. Los poros nucleares son máquinas moleculares que controlan el tráfico que entra o sale del núcleo celular. En su artículo publicado en Nanotecnología de la naturaleza , Los investigadores explican cómo se evita el paso de moléculas no deseadas mediante "tentáculos" moleculares que se mueven rápidamente dentro del poro.

El microscopio de fuerza atómica (AFM) no es un microscopio para mirar a través. Como un ciego usa sus dedos, "siente" una superficie con una punta extremadamente fina para resolver diminutas estructuras celulares de solo millonésimas de milímetro de tamaño, como los poros de la envoltura nuclear. Sin embargo, este proceso suele ser lento y puede tardar hasta un minuto en capturar una imagen. En comparación, Los AFM modernos de alta velocidad pueden grabar películas de moléculas en acción capturando varios cientos de imágenes por minuto.

Usando AFM de alta velocidad, Roderick Lim, Profesor de Argovia en el Biozentrum y el Instituto Suizo de Nanociencia de la Universidad de Basilea, no solo ha visualizado directamente la barrera selectiva del poro nuclear, pero también su comportamiento dinámico para resolver un antiguo misterio de cómo se evita que las moléculas no deseadas entren en el núcleo.

Los complejos de poros nucleares regulan el transporte de moléculas.

La estructura general de los poros nucleares se conoce en general. Estos no son simples agujeros, pero son centros de transporte masivos que se incorporan por miles a la membrana nuclear. Tienen una estructura en forma de rosquilla que consta de una treintena de proteínas diferentes, llamadas nucleoporinas, y un canal de transporte central. Dentro del poro varias proteínas desordenadas (FG Nups) forman una barrera o filtro de selectividad. Si bien las moléculas pequeñas pueden atravesar fácilmente esta barrera, Se evita que las moléculas grandes, como las proteínas, entren en el poro nuclear. Una excepción a esto son las proteínas necesarias en el núcleo celular, por ejemplo, para la reparación o replicación de material genético. Su translocación del citoplasma al núcleo es asistida por receptores de transporte que reconocen una "etiqueta de dirección" específica que llevan estas proteínas.

El AFM de alta velocidad revela procesos dinámicos

"Con el AFM de alta velocidad pudimos, por primera vez, mirar dentro de los complejos de poros nucleares nativos, sólo cuarenta nanómetros de tamaño ", dice Lim. "Este método es un verdadero cambio de juego. Pudimos ver a los FG Nups individuales y filmarlos en acción. ¡Esto no era posible hasta ahora!"

Adicionalmente, Yusuke Sakiyama, el estudiante de doctorado que realizó los experimentos, tuvo que cultivar nanofibras de carbono súper afiladas en cada sonda de alta velocidad para llegar al interior del NPC. Esto luego genera una secuencia de video a partir de múltiples imágenes que permite al investigador observar la dinámica "real" de los procesos biológicos a nivel nanométrico.

Una barrera de "tentáculos" moleculares ondulantes

Debido a la alta resolución espacial y temporal, los científicos pudieron demostrar que los filamentos FG Nup son muy flexibles. "No son cerdas rígidas, sino todo lo contrario. Como los tentáculos más delgados, los FG Nups fluctúan rápidamente, alargar y retraer, ya veces incluso se entremezclan brevemente dentro del poro ", dice Lim. La velocidad de su movimiento determina qué moléculas pueden atravesar el poro. "Las partículas grandes se mueven mucho más lentamente que los FG Nups y, por lo tanto, las repetidas colisiones les impiden entrar en el NPC", explica Lim. "Moléculas pequeñas, sin embargo, experimentan una difusión rápida y tienen una alta probabilidad de atravesar la barrera FG Nup ".

Al comprender cómo funcionan los NPC como centros de transporte en las células vivas, Lim, que es miembro de NCCR Molecular Systems Engineering, ahora está investigando cómo los filtros selectivos inspirados en NPC podrían regular el tráfico molecular en sistemas no biológicos.