Johns Hopkins cellbiologer rapporterar vad de tror är den första skapandet någonsin av små proteinbaserade gelatinliknande klumpar som kallas hydrogeler inuti levande celler. Möjligheten att skapa hydrogeler på begäran, de säger, bör främja den långa vetenskapliga kampen för att studera de svårfångade strukturerna – som bildas i naturen när proteiner eller andra molekyler aggregerar under vissa förhållanden – och för att avslöja deras misstänkta bidrag till mänskliga sjukdomar.

"Den spännande delen av det här arbetet är inte bara att vi gjorde hydrogeler, men att vi nu är utrustade med denna kraftfulla teknik som låter oss ställa grundläggande – och mycket utmanande – frågor om dem, "säger Takanari Inoue, Ph.D., en docent i cellbiologi vid Johns Hopkins University School of Medicine och senior författare till rapporten om forskningen som publicerades online den 6 november i tidskriften Naturmaterial .

En hydrogel är vilket fast gelmaterial som helst som håller ihop på grund av täta kopplingar mellan dess molekyler men som också absorberar mycket vatten. Konstgjorda hydrogeler används i vardagsprodukter som kontaktlinser, engångsblöjor och hårgeler, som utnyttjar sin vattenälskande natur.

I levande celler, de flesta flytande strukturer är inneslutna av membran som hjälper dem att behålla sin form i cellernas vattniga cytoplasma. Men när celler utsätts för stress – allt från värme till svält eller infektion – kan proteiner och ribonukleinsyra (RNA)-molekyler klumpa ihop sig till stressgranuler, som är fria från omslutande hinnor och ofta bildar små kulor som liknar hårgelé suspenderad i en balja med vatten.

Vissa forskare har antagit att ackumuleringen av dessa naturliga hydrogeler kan vara kopplad till neurodegenerativa sjukdomar, inklusive amyotrofisk lateralskleros (ALS), och att för många eller för få stressgranuler kan påverka cellers förmåga att fungera. Men det har varit svårt att hitta bevis, delvis för att andra typer av hydrogeler inuti celler kan vara normala delar av cellfysiologin.

"Dessa hydrogeler saknar membran, så det är svårt att isolera och rena dem, " säger Inoue. "De är så ömtåliga att vi inte bara kan samla dem som vi kan med kärnor eller mitokondrier, " tillägger han. Ännu värre, han säger, när deras omgivning förändras, stressgranulat byter från att vara hydrogeler till en annan typ av struktur, kallas vätskedroppar, på samma sätt som hårgel kan lösa sig i vatten om du värmer upp det. Forskare över hela världen har försökt injicera kemiska hydrogeler i levande celler för att studera dem, men vanligtvis blir cellerna sjuka, troligtvis på grund av toxicitet från kemikalierna.

I ett försök att övervinna sådana hinder för studier, Inoues team designade ett system som de kallade iPOLYMER, består av två bindande proteiner, FKBP och FRB, och en immunsuppressiv kemikalie och ett läkemedel som kallas rapamycin. Forskare visste redan att rapamycin kunde användas för att förmedla interaktioner mellan FKBP och FRB.

Tidigare studier har visat att utan rapamycin närvarande, FKBP och FRB existerar som separata proteiner, men när rapamycin väl tillsätts, det binder till båda, drar ihop proteinerna till ett fast komplex. Att designa proteinerna så att de skulle bilda rätt fysisk struktur för hydrogeler krävde massor av försök och fel, säger Inoue.

För att skapa iPOLYMER i levande celler, forskarna konstruerade celler för att innehålla två typer av proteinsträngar bestående av tandem FKBPs och FRBs, och tillsatte sedan rapamycin, som vanligtvis inte finns i levande celler. Genom att titta på dessa celler under ett mikroskop när de tillsatte rapamycin, Inoues team kunde se hydrogeler bildas.

"Så vitt vi vet, det här är första gången någon har gjort en hydrogel i en levande cell på detta sätt, säger Inoue.

Forskarna modifierar nu iPOLYMER-systemet så att hydrogelerna integrerar RNA-molekyler i sina strukturer, vilket gör dem bättre efterliknar stressgranulerna som ses i mänskliga celler. Forskarna skulle också vilja skapa ett system där proteinerna, FKBP och FRB, bildar vätskedroppar så att de kan jämföra effekterna av vätskedroppar och hydrogelformer av proteinstrukturerna.