I mange tilfeller er cellene svært aktive i sin bevegelse og fungerer som energigeneratorer. Cellenes evne til å produsere fysiske krefter er en av kroppens grunnleggende funksjoner. Ved løping fører for eksempel kreftene som genereres i cellene til at musklene trekker seg sammen og pustearbeidet. Det har vært mulig å måle selv kreftene som enkelte proteiner opplever med kraftsensorer utviklet tidligere, men tidligere kunne ikke intracellulære krefter og mekaniske påkjenninger ha blitt målt.

I samarbeid med forskere ved Ohio State University OSU, har cellebiologiforskere ved University of Tampere utviklet en kraftsensor som kan festes på siden av et mekanisk responsivt protein, slik at det kan oppdage krefter og påkjenninger på proteinet i cellen.

Utviklingen av sensoren i mikrostørrelse begynte under en konferansetur i desember 2019.

«Den kraftfølende delen er som et gummibånd som endrer farge når det strekkes. Denne delen er festet til antistoffer i begge ender av gummibåndet, som binder seg til det cellulære målproteinet som studeres. eller forlengelsen av proteinet som studeres kan deretter oppdages under mikroskopet ved å følge forlengelsen av gummibåndet, det vil si fargen det produserer, forklarer Teemu Ihalainen, BioMediTech-hovedetterforsker ved Universitetet i Tampere.

Ifølge Ihalainen kan kraftsensoren, som bare er rundt 20 nanometer stor, lett generaliseres til et bredt spekter av cellebiologisk forskning og ulike målproteiner. Ved hjelp av proteinbiosensoren kan krefter måles for eksempel i kjernemembranen, mellom ulike proteiner, eller generelt i cytoskjelettet til cellen. Det gjør det for første gang mulig å transformere mekanikken til cellen til en synlig form. Denne teknologien tiltrekker seg allerede stor interesse i ulike laboratorier i Japan, India, Norge og USA.

Cellens indre krefter gir innsikt i mekanikken til kreft

Celler utsettes for krefter hele tiden, både i normale kroppsfunksjoner og ved sykdom.

Når for eksempel en kreftcelle vokser og beveger seg, blir cellene utsatt for mekaniske krefter. Når kreft sprer seg, for eksempel når den kommer inn i blod eller lymfekar, må kreftcellen presse seg gjennom trange rom i mikromiljøet. Dermed blir kreftceller utsatt for kraftige klem- og strekkkrefter som kan bryte ned noen celler. Skader på kjernen kan endre strukturen til genomet, noe som i visse situasjoner til og med kan være gunstig for utviklingen av kreft.

«Ved hjelp av sensorer kan kreftmekanikk og tilhørende prosesser overvåkes fra et helt nytt perspektiv,» sier Ihalainen.

Studien Tilstander av deformasjon av kjernefysisk lamina avslørt av en intermolekylær kraftbiosensor ble publisert i det prestisjetunge tidsskriftet Nature Communications.

Selv de minste detaljene kan sees med superoppløsningsmikroskopi

En annen nylig studie foredlet ekspansjonsmikroskopi ved å kombinere cellebiologi og signalbehandlingsekspertise. I tillegg til cellebiologiforskere deltok billeddiagnostiske spesialister fra fakultetet for ingeniør- og naturvitenskap ved Universitetet i Tammerfors og virologer fra universitetet i Jyväskylä i studien.

Oppløsningen til optisk mikroskopi er begrenset fordi detaljer i små strukturer i prøven er uskarpe på grunn av linse-lys-interaksjoner. Forskjellige mikroskopiteknikker med superoppløsning tillater imidlertid separering av svært små detaljer. En av disse teknikkene er såkalt ekspansjonsmikroskopi, hvor prinsippet er å fysisk forstørre et motiv, for eksempel en celle, og dermed observere de små tingene inni. I praksis støpes prøven i en myk gel, som kan multipliseres med fire eller flere, og forstørrer også alle detaljene i prøven.

«Problemet er imidlertid at jo flere detaljer i cellen som undersøkes, jo færre molekyler er synlige. Dette betyr at det er hentet inn færre signaler, dvs. informasjon, fra prøven, og vanligvis er det mye støy, litt som snø på en TV-skjerm, sier Ihalainen.

Forskergruppen oppdaget at løsningen på problemet kunne være gjentatt fluorescerende merking av cellene. De kom opp med ideen om å merke målproteinene flere ganger for å gjøre dem lysere og gi mer informasjon.

«I praksis var det vi gjorde å pumpe flere fluorescerende molekyler til målproteinene som om vi la til reflektorer. Den enkle og enkle metoden forbedret bildeoppløsningen og kontrasten betraktelig. Støy ble også beregningsmessig fjernet fra bildene, noe som ytterligere økte skarpheten til bildet», nevner han.

I motsetning til mange superoppløsningsmikroskopiteknikker krever ekspansjonsmikroskopi ikke dyre instrumenter og er lett å implementere. Teknikken utviklet av forskerne er spesielt nyttig for å studere svært små detaljer. Å se på strukturen til herpesviruset fra 120 nanometer, for eksempel, er nå mulig selv med et optisk mikroskop. Med tradisjonell lysmikroskopi er virus kun synlige som enkeltpunkter.

Studien Iterativ immunfarging kombinert med ekspansjonsmikroskopi og bildebehandling avslører den nanoskopiske nettverksorganisasjonen til kjernefysisk lamina ble publisert i det prestisjetunge tidsskriftet Molecular Biology of the Cell.

«Begge disse studiene er grunnforskning. Vi søker å forstå den grunnleggende funksjonen til celler. Derfor har forskningsfinansieringen mottatt fra Finlands forskningsråd og muligheten til å jobbe ved Institute for Advanced Study of Tampere (IAS) vært enormt viktige faktorer i disse prosjektene, sier Ihalainen.