_ Cercetătorii investighează arheile pentru a descoperi cum proteinele determină forma și funcția celulelor

Descoperite inițial în medii extreme, cum ar fi gurile hidrotermale, arheile, un microorganism unicelular, pot fi găsite și în sistemele digestive ale animalelor, inclusiv ale oamenilor în care joacă un rol cheie. rol în sănătatea intestinului. Cu toate acestea, se știe puțin despre funcția acestor celule sau despre modul în care formează formele distincte pe care le asumă pentru a se potrivi cu mediul lor.

Acum, cercetarea condusă de Mecky Pohlschröder de la Școala de Arte și Științe a Universității din Pennsylvania a a descoperit perspective cheie asupra mecanismului molecular care determină morfologia arheilor. Descoperirile sunt publicate în jurnalul Nature Communications.

„Este întotdeauna incitant când cercetarea în colaborare în mai multe discipline diverse culminează cu o descoperire semnificativă, dar este cu atât mai satisfăcătoare când cercetarea ne aprofundează înțelegerea unui element biologic fundamental. proces”, spune Pohlschröder.

„Caracterizarea proteinelor care determină forma celulelor în arhee poate, de asemenea, să arunce lumină asupra mecanismelor care stau la baza altor procese celulare din arhee”. Pohlschröder observă că descoperirile lor indică, de asemenea, o mai bună înțelegere a acestor mecanisme în bacterii și eucariote, organisme ale căror celule conțin un nucleu într-o membrană.

Autoarea principală, Heather Schiller, o fostă studentă absolventă în laboratorul lui Pohlschröder, povestește modul în care această descoperire. a început cu cercetarea de vară a unui elev de liceu în laborator. „Joshua, asistentul nostru de cercetare de vară, a primit sarcina laborioasă de a preleva probe a peste 1.000 de tulpini dintr-o bibliotecă de mutații aleatorii pentru a le observa capacitatea de a înota”, spune Schiller. „Făcând acest lucru, el a identificat câțiva mutanți hiper-motili al Haloferax volcanii.”

Schiller explică procesul care a implicat utilizarea plăcilor de agar cu o consistență care a permis celulelor să înoate prin ea, creând halouri vizibile. Mutanții care nu puteau înota nu ar forma aceste halouri, permițând identificarea lor. Studentul căuta mutanți care prezentau motilitate alterată și, printre aceștia, unii s-au mișcat mai repede decât de obicei.

„La o examinare mai atentă la microscop, s-a descoperit că acești mutanți care se mișcău mai rapid formează doar forme de tije, niciodată discuri. ”, spune Schiller. „Această descoperire a fost crucială pentru cele mai recente cercetări ale noastre, deoarece a oferit o direcție clară pentru investigarea ulterioară a componentelor celulare implicate în formarea formei, dincolo de proteina mutantă identificată.”

Importanța formelor tijei și discurilor în Haloferax volcanii nu este doar o chestiune de morfologie, ci este strâns legată de funcționalitatea și adaptabilitatea organismului la condițiile de mediu, explică Pohlschröder. Formele tijelor sunt deosebit de cruciale pentru înotul eficient, permițând microbilor să navigheze eficient în mediul lor.

Cele mai recente cercetări se scufundă mai adânc în aceste tranziții de formă, folosind o abordare holistică și colaborativă care integrează ecrane de inserare a transpozonilor, proteomica cantitativă, genetica inversă și microscopia avansată.

Identificarea tulpinilor mutante care sunt blocate într-o anumită formă de celulă a permis următorul pas în conducta de analiză a cercetătorului: proteomica cantitativă comparativă, spune Stefan Schulze, fost cercetător postdoctoral în Laboratorul Pohlshröder, acum profesor asistent la Institutul de Tehnologie Rochester.

Această tehnică cuantifică, în esență, abundența proteinelor din celule în diferite condiții, permițând cercetătorilor să compare profilele proteice ale mutanților cu cele ale celule de tip sălbatic în diferite faze de creștere. Această comparație a ajutat să discernem proteinele ale căror modificări de abundență sunt asociate în mod specific cu forma celulelor de cele legate de fazele de creștere.

Pentru a confirma importanța acestor proteine ​​asociate formei celulei, Schiller a folosit o abordare genetică inversă, în care funcția unei gene de interes este găsită prin observarea efectelor modificării sau ștergerii acesteia.

„Această abordare a fost folosită pentru a studia rolurile proteinelor specifice identificate în experimentul de proteomică, cum ar fi factorul determinant al discului A și factorul determinant al tijei A în determinarea formei celulei”, spune Schulze. Acesta a inclus, de asemenea, o proteină pe care Daniel Safer de la Penn's Perelman School of Medicine - care are o experienţă extinsă cu proteinele actinei la eucariote - a subliniat-o aproximativ în acelaşi timp ca un potenţial omolog al actinei, dar, spre deosebire de alte actine implicate în formarea tijei, a fost mai abundent în discuri.

În timp ce proteomica și genetica inversă pot determina care proteine ​​sunt cruciale pentru schimbarea formei celulei, a fost nevoie de microscopie avansată pentru a vizualiza comportamentul acestor proteine ​​în interiorul celulei. O colaborare cu Alex Bisson, profesor asistent la Universitatea Brandeis, a oferit ultima piesă lipsă din puzzle. Laboratorul Bisson a folosit expertiza în microscopia de super-rezoluție și analiza computațională pentru a vizualiza și cuantifica comportamentul dinamic al proteinelor precum volactina, un omolog al actinei pe care cercetătorii l-au identificat ca fiind esențial în tranziția la celulele în formă de disc.

Pohlschröder. a făcut echipă cu laboratorul Bisson pentru a crea imagini 3D ale polimerilor de volactină la rezoluție înaltă în interiorul celulelor. Folosind volactina fuzionată cu proteina fluorescentă GFP, cercetătorii au reușit să urmărească dinamica volactinei în timp real, care a arătat că acești polimeri se alungesc (polimerizarea) și se micșorează (depolimerizarea), sugerând că polimerii volactinei ar putea „sesiza” în mod dinamic starea celulei pentru a coordona forma celulei.

„Spre deosebire de funcția sa în multe celule eucariote, unde actina este adesea asociată cu menținerea formei celulei și facilitarea mișcării, în modelul nostru de arheon Haloferax volcanii, acest omolog de actină este crucial pentru trecerea la forma de disc. celule”, spune Pohlschröder.

„Această cercetare subliniază cu adevărat importanța colaborării interdisciplinare și a expertizei în avansarea științei la toate nivelurile”, spune Pohlschröder. „Aportul lui Daniel, combinat cu abordarea cuprinzătoare a echipei noastre, cu contribuții semnificative din partea lui Stefan și Alex, a condus la astfel de perspective remarcabile asupra mecanismelor moleculare de determinare a formei celulare în arhee, în special rolul volactinei.”

Pohlschröder spune că, pe lângă investigarea în continuare a funcțiilor proteinelor identificate în aceste studii, ea și echipa ei sunt acum interesate să afle cum arheei știu când să treacă de la o tijă la un disc. Ea lucrează în prezent cu cercetători din Departamentul de Chimie pentru a elucida moleculele de semnalizare care inițiază schimbarea formei celulei.

(Fluierul)