Celler måste reagera på miljöförändringar och upprätthålla ett balanserat system av signalkaskader i cellen. Proteiner utanför cellen, på cellytan, inuti cellmembranet, och inom cellorkestern många finjusterade signalvägar, som resulterar i reaktioner på miljöförhållanden eller förändringar i själva organismen. Den rums-temporala organisationen av cellulära processer som cellsignalering, cellpolarisering och neuritutväxt regleras ofta av den subcellulära fördelningen av molekyler eller organeller.

Enskilda proteiner kan utföra distinkta funktioner när de är lokaliserade på olika subcellulära platser. Ett exempel är Rac1-protein, som styr formen på cellens skelett vid det intracellulära plasmamembranet, men när det lokaliseras i kärnan, den reglerar nukleär morfologi. Den nukleocytoplasmatiska shuttlingen av Rac1 spelar en viktig roll vid tumörinvasion. I neuroner, den dubbelriktade transporten längs axonala mikrotubuli spelar en avgörande roll i den korrekta subcellulära distributionen av organeller. Dess felreglering är involverad i neurodegenerativa sjukdomar. Dock, analys av komplexa processer som involverar cykling, trafficking eller shuttling av signalmolekyler/organeller mellan cellavdelningar är fortfarande en stor utmaning.

Gruppen Yaowen Wu, professor vid institutionen för kemi vid Umeå universitet, har nu utvecklat en ny teknik som kallas Multi-directional Activity Control (MAC), vilket gör levande studier av cellsignaleringsprocesser möjliga. Forskarna är pionjärer inom att utveckla metoder för realtidsobservation av cellulära mekanismer under kontrollerade förhållanden. De använde en fotoaktiverbar, Dual-chemically induced dimerization (pdCID) system för att kontrollera placeringen av organeller och proteiner på flera platser i en enda cell. Detta system kombinerar två kemiska reaktioner som bildar proteindimerer i en enda cell. En av dem kunde styras av ljus.

"Vi visade att vårt fotoaktiverbara och kemiskt inducerade dimeriseringssystem kunde användas för att kontrollera funktionen hos cellulära organeller och cellulära signalvägar i en enda cell på en finjusterad och flerskiktsnivå, vilket inte var möjligt med befintliga metoder tidigare. Vi kombinerade två modulära system på ett parallellt eller kompetitivt sätt för att möjliggöra kontroll i flera riktningar över protein- eller organellaktivitet av små molekyler och ljus, " säger Yaowen Wu, som precis sätter upp sitt nya labb i norra Sverige.

Forskargruppen visade också att den nya tekniken möjliggör mycket snabb induktion och observationer av olika cellulära reaktioner, och möjliggör nya störningsstudier som inte var möjliga med traditionella genetiska metoder.

Med denna metod, forskarna opererade flera cykler av Rac1-transfer mellan cytosolen, plasmamembran och kärna i en enda cell. De kunde kontrollera transporten av peroxisomer (en cellulär organell involverad i oxidation av molekyler) i två riktningar, dvs till cellperiferin och sedan till cellkroppen, och vice versa. Det här är som att spela biljard i cellen, men i mikrometerskala.

MAC-metoden kan också användas för att emulera eller störa sjukdomstillstånd som involverar protein/organellpositionering för att studera patogena mekanismer, och i slutändan hjälpa utvecklingen av deras terapeutiska intervention. Studien publiceras i Angewandte Chemie .