Hur rör sig celler i en viss riktning i kroppen – gå till ett sårställe och reparera det, till exempel, eller jaga smittsamma bakterier och döda dem?

Två nya studier från Marine Biological Laboratory (MBL) visar hur celler reagerar på inre krafter när de orienterar sig, få dragkraft, och migrera i en specifik riktning. Forskningen, som började som ett studentprojekt i MBL Physiology Course och utvecklades i MBL Whitman Center, publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) och denna vecka in Naturkommunikation .

Båda tidningarna fokuserar på aktivering av integriner, proteiner som gör att celler kan fästa sig till sin yttre miljö och svara på signaler som kommer från andra celler. Integriner är transmembranproteiner:en del ligger på cellytan och en del ligger inuti cellen. Med hjälp av ett mikroskop som uppfanns vid MBL, författarna visade att när integriner vecklas ut från cellytan och binder extracellulärt, de riktar sig samtidigt i samma riktning som en kraft inuti cellen (aktin retrogradt flöde).

"Om du tänker på en cell som en bil, aktinflödet är motorn, " säger Clare Waterman, en Whitman Center Scientist från National Heart, Lung- och blodinstitutet. "Cellen kan sitta där, på tomgång sin motor. Men när integrinerna aktiveras och binder externt, de är som däcken på vägen, ger friktion. Motorn går i växel och bilen rör sig."

Timothy Springer från Harvard University, som medupptäckte integrinfamiljen av proteiner på 1980-talet och har till stor del definierat deras aktiveringsmekanism, och Satyajit borgmästare för National Center for Biological Sciences, Bangalore, var huvudsamarbetspartners med Waterman i projektet.

Teamet använde ett fluorescenspolariserat ljusmikroskop utvecklat av MBL Associate Scientist Tomomi Tani och tidigare stabsforskare Shalin Mehta (nu på Chan Zuckerberg Biohub) för att mäta – i realtid och med hög precision – orienteringen av integrinerna på cellytan.

"Det är ganska anmärkningsvärt att du kan göra det med ett mikroskop, " säger Springer. "Jag känner inte till några andra exempel där människor faktiskt har mätt orienteringen av en cellytemolekyl."

Det finns 24 olika typer av integriner som finns på mänskliga celler. PNAS-papperet studerar ett integrin på fibroblastceller medan Naturkommunikation papper analyserar ett integrin på vita blodkroppar.

"De två integriner vi arbetade med var ungefär så strukturellt olika som man kan få i integrinfamiljen, säger Springer, ändå båda typerna, när den är aktiverad, orienterad i en riktning som dikteras av intracellulärt aktinflöde.

"Det här är verkligen vacker grundforskning, " säger Springer. "Medan vi visste mycket om högrenade integriner i lösning, denna forskning ger oss specifik information om deras aktiveringstillstånd i levande celler."

Waterman ledde MBL Fysiologikursen när hon initierade denna forskning med en grupp studenter, inklusive Vinay Swaminathan och Pontus Nordenfelt. Efter att kursen avslutats, laget lade till medlemmar, inklusive Joseph Mathew Kalappurakkal och Travis I. Moore, och fortsatte att samarbeta i MBL Whitman Center med stöd från ett Lillie Research Innovation Award från University of Chicago och MBL.

"MBL är känt för sin förmåga att sammankalla vetenskapliga team med djup tvärvetenskaplig expertis genom kommunikationen som flödar mellan dess avancerade kurser, dess inhemska forskare, och Whitman Center, " säger David Mark Welch, MBL forskningsdirektör. "I detta fall, insiktsfulla forskare med mycket olika färdigheter - cellbiologer, mikroskoputvecklare, beräkningsvetare, molekylära modellerare, proteinkemister – synergiserade för att avslöja en fundamentalt viktig drivkraft för cellulär migration."