Celler ’mærker’ omgivelserne med fingerlignende strukturer
Celler har nogle fingerlignende udvækster, som de bruger til at mærke deres omgivelser med. De kan registrere det kemiske miljø, og de kan ’føle’ de fysiske omgivelser med ultrasensitive sensorer. Ny forskning fra Niels Bohr Institutet viser, hvordan de fingerlignende strukturer, kaldet filopodia kan forlænge sig, trække sig sammen og bøje sig i dynamiske bevægelser. Resultaterne er publiceret i det videnskabelige magasin, Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS.
Poul Martin Bendix viser de fingerlignende strukturer, kaldet filopodia, som er udvækster fra cellens membran. De kan give besked tilbage til cellen om både det kemiske miljø og de fysiske omgivelser. (Credit: Ola Jakup Joensen, Niels Bohr Institutet)
I mange biologiske processer er cellers indbyrdes påvirkning og gensidige kommunikation med omgivelserne afgørende for funktionen. Til at mærke omgivelserne bruger cellerne nogle fingerlignende strukturer, som egentlig er rør-udvækster fra cellens membran. Disse 'rør' kaldes filopodia, og de kan give besked tilbage til cellen om både det kemiske miljø og de fysiske omgivelser. Cellerne bruger f.eks. filopodia-strukturerne, når fostre skal udvikle sig korrekt, ved vækst af nerveceller, og når celler (makrofager) skal trække sig fremad mod sygdomsfremkaldende bakterier for at fjerne dem.
”Filopodia-strukturerne er meget dynamiske og kan både trække sig sammen og strække sig ud i længden og bøje sig aktivt i alle retninger. Men hvad er det, der gør, at de kan bevæge sig, hvordan styrer de deres bevægelser, og hvilke kræfter bruger de? Det ville vi gerne finde ud af”, fortæller Poul Martin Bendix, lektor i forskningsgruppen Biokompleksitet på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet.
Billedet viser, hvordan aktinet trækker sig sammen, mens filopodia’en danner en spiralformet struktur. Aktinet i filopodia’ernes indre udviser en markant drejende bevægelse, og når den trækker tilbage, dannes der spiralformede foldninger - ligesom når man snor en elastik, der holdes fast i den ene ende og trækkes i den anden. (Credit: Niels Bohr Institutet)
Forskerne, Natascha Leijnse, Lene Oddershede og Poul Martin Bendix undersøgte filopodias fysiske egenskaber i en optisk pincet, som er et mikroskop, hvor man med en kraftigt fokuseret laserstråle kan holde fast i de enkelte levende celler og påvirke dem, mens man observerer og måler og følger deres bevægelser.
For bedre at kunne følge bevægelserne, satte forskerne en lille plastikkugle i spidsen af filopodia-strukturen, og med ultrafølsomme kraft-målinger kunne de måle den dynamiske aktivitet i den enkelte filopodia. Samtidigt med kraftmålingerne blev filopodia’ernes indre ’skelet’, kaldet aktin, der er ansvarlig for filopodia’erne bevægelser mærket med fluorescente markører for at kunne følge bevægelserne i mikroskopet.
Opdagede ny mekanisme
Computersimuleringer af filopodia-dynamikken viser, at en roterende aktin-struktur inde i et rør resulterer i gnidning mellem membranen og aktinet, hvilket medfører den spiralform, som man observerer.
”I eksperimentet holdt vi fast i kuglen, som sad for enden af filopodia-antennen og trak med det ultrafølsomme kraft-mikroskop i op til 20 minutter. Vi kunne måle, at cellerne trak tilbage med en kraft på 1-100 piconewton – det svarer til tyngdekraften på en rød blodcelle. Ydermere afslørede forsøget den mekanisme, som filopodia-antennerne bruger til at trække med. Vi observerede, at aktinet i filopodia’ernes indre udviste en markant drejende bevægelse, og når den trak tilbage, dannedes der spiralformede foldninger - ligesom når man snor en elastik, der holdes fast i den ene ende og trækkes i den anden”, forklarer Poul Martin Bendix.
De spiralformede foldninger blev filmet med 3D fluorescens mikroskopi, alt imens man målte trækningen. Den roterende mekanisme, der skabte spiralerne i aktin-strukturen, er vigtig for at gøre det muligt for filopodia’erne at udforske sine omgivelser via den roterende bevægelse.
Forskerne undersøgte filopodias fysiske egenskaber i en optisk pincet, som er et mikroskop, hvor man med en kraftigt fokuseret laserstråle kan holde fast i de enkelte levende celler og påvirke dem, mens man observerer og måler og følger deres bevægelser.
”Disse nye resultater viser en overraskende ny mekanisme, hvor rotation er omdannet til et mekanisk træk, der gør det muligt for cellen at have gensidig påvirkning med naboceller”, siger Poul Martin Bendix.
Han fortæller, at man overalt i naturen finder spiral-formede strukturer, f.eks. i den snoede DNA-streng, samt i de hårlignende cilier og flagella, som er en slags roterende helix, der giver sædceller og visse bakterier evnen til at kunne svømme.
Spiral-formede filopodia har tidligere været forudsagt teoretisk, men de forudsigelser var baseret på en anden mekanisme for spiral-dannelsen. Men disse spiralformede foldninger kunne tilmed påvises teoretisk ved at modellere en drejende aktin-struktur inde i et membran-rør.
"Vores resultater viser, at eksperimenter og teoretiske beregninger fungerer godt sammen til at undersøge biologiske mekanismer", siger Poul Martin Bendix.
Pól Martin Bendix, lektor i forskningsgruppen Biokompleksitet, Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, +45 6160-2454, bendix@nbi.ku.dk