Upptäckten av fysiska krafter är en av de mest komplexa utmaningarna som vetenskapen står inför. Även om Newton löste gravitationsproblemet för länge sedan, att avbilda de fysiska krafterna som verkar i levande celler är fortfarande ett av den nuvarande biologins huvudmysterier. Anses spela en avgörande roll i många biologiska processer, de kemiska verktygen för att visualisera de fysiska krafterna i verkan finns inte. Men idag, forskare från University of Geneva (UNIGE) och National Center of Competence in Research (NCCR) i kemisk biologi, Schweiz, har utvecklat sonder som kan gå in i celler och avbilda levande fysiska krafter. Dessa resultat, en vändpunkt i studiet av livsvetenskaper, finns i Journal of the American Chemical Society .

Sedan det skapades 2010, ett av de centrala målen för NCCR Chemical Biology har varit att lösa problemet med att upptäcka cellulära fysikaliska krafter. "Vårt tillvägagångssätt för att skapa spänningssonder inspirerades av färgbytet på räkor, krabbor eller hummer under matlagning, säger Stefan Matile, professor vid Institutionen för organisk kemi vid naturvetenskapliga fakulteten vid UNIGE och medlem i NCCR.

I levande räkor, de fysiska krafterna hos de omgivande proteinerna plattar ut och polariserar karotenoidpigmentet, kallas astaxanthin, tills den blir blå. "Under matlagning, dessa proteiner vecklas ut och hummerpigmentet kan återfå sin naturliga mörkorange färg, " fortsätter kemisten i Genève. Intrigerad av dessa kräftdjur, utvecklingen av fluorescerande sonder som arbetar på samma princip om planisering och polarisering krävde cirka åtta års forskning.

Förra året, NCCR -teamen tog slutligen fram den första fluorescerande sonden som kunde avbilda krafterna som verkar på det yttre membranet, kallas plasmamembranet, av levande celler. Förfrågningar om prover från mer än 50 laboratorier runt om i världen kom som ett omedelbart svar på offentliggörandet av dessa resultat, visar vikten av detta genombrott för biovetenskap. För att möta denna efterfrågan, UNIGE:s styrsonder lanserades under varumärket Flipper-TR i slutet av förra året.

Hur är det med cellernas inre krafter?

Studiet av krafter som gäller utanför cellerna är inte begränsat till kemiska verktyg för fluorescensavbildning. Cellulära ytor är tillgängliga för fysiska verktyg som mikropipetter, optiska klämmor, cantilevers av atomkraftsmikroskop, etc. "Men dessa fysiska verktyg är uppenbarligen inte tillämpliga för studier av krafter i celler, säger Aurélien Roux, professor vid institutionen för biokemi vid UNIGEs naturvetenskapliga fakultet. "Organeller som mitokondrier, ansvarig för energiproduktion; det endoplasmatiska retikulumet, ansvarig för proteinsyntes; endosomer, ansvarig för handel med material till och inom celler; eller kärnan, som lagrar genetisk information, är helt enkelt utom räckhåll för fysiska verktyg utifrån." Fram till idag, visualisering av krafterna som verkar och kontrollerar dessa organeller inuti cellerna var fortfarande omöjlig, även om det är viktigt för att förstå deras funktion.

Denna grundläggande utmaning inom biovetenskapen möts nu. NCCR-teamet, ledd av Stefan Matile, Aurélien Roux och Suliana Manley, professor vid EPFL Institute of Physics, även medlem i NCCR, transporterade sina kraftprober in i cellerna och selektivt markerade cellulära organeller. De kan nu visa, till exempel, hur spänningar stiger i mitokondrier som börjar dela sig. "För första gången, fysiska krafter kan avbildas live inuti cellerna, "säger Aurélien Roux. Detta nya kemiverktyg tillåter slutligen forskare att uppnå det de har velat göra under en mycket lång tid." Dessa nya sonder ger oss nu möjlighet att ta itu med mekanobiologi och revolutionera studier av biovetenskap, säger Stefan Matile.