Biofysiker från Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München har visat att ett fenomen som kallas diffusiofores, som kan leda till en riktad partikeltransport, kan förekomma i biologiska system.

För att utföra sina biologiska funktioner, celler måste se till att deras logistiska scheman implementeras smidigt, så att de nödvändiga molekylära lasterna levereras till sina avsedda destinationer i tid. De flesta av de kända transportmekanismerna i celler är baserade på specifika interaktioner mellan lasten som ska transporteras och de energikrävande motorproteinerna som transporterar lasten till dess destination. En grupp forskare under ledning av LMU-fysikern Erwin Frey (ordförande för statistisk och biologisk fysik) och Petra Schwille vid Max Planck Institute for Biochemistry har nu för första gången visat att en form av riktad transport av partiklar kan ske i celler, även i frånvaro av molekylära motorer. Vidare, denna mekanism kan sortera de transporterade partiklarna efter deras storlek, som laget rapporterar i senaste numret av Naturfysik.

Studien fokuserar på MinDE-systemet från bakterien E. coli, vilket är en etablerad och viktig modell för biologisk mönsterbildning. De två proteinerna MinD och MinE pendlar mellan polerna i den stavformade cellen och deras inbördes interaktion på cellmembranet begränsar slutligen celldelningsplanet till cellens centrum. I detta fall, forskarna rekonstruerade det mönsterbildande MinDE-systemet i provröret, med de renade Min-proteinerna och konstgjorda membranen. Som förväntat från tidigare experiment, när den energirika molekylen ATP lades till detta system, Min-proteinerna recapitulerade det oscillerande beteendet som ses i bakterieceller. Mer viktigt, försöksledarna fortsatte med att visa att många olika sorters molekyler kunde fångas upp i de oscillerande vågorna när de korsade membranen – även molekyler som inte har något att göra med mönsterbildning och som inte finns i celler alls.

En sorteringsmaskin för DNA-origami

För att analysera transportmekanismen mer i detalj, teamet vände sig till laster som bestod av DNA-origami, och kunde förankras i membranet. Denna strategi tillåter en att skapa molekylära strukturer av varierande storlekar och former, baserat på programmerbara basparningsinteraktioner mellan DNA-strängar. "Dessa experiment visade att detta transportsätt beror på lastens storlek, och att MinD till och med kan sortera strukturer utifrån deras storlek, säger Beatrice Ramm, en postdoc vid Petra Schwilles avdelning och gemensam förstaförfattare till den nya studien.

Med hjälp av teoretiska analyser, Freys grupp fortsatte med att identifiera den underliggande transportmekanismen som diffusiofores - den riktade rörelsen av partiklar längs en koncentrationsgradient. I Min-systemet, friktionen mellan lasten och de diffuserande Min-proteinerna är ansvarig för transporten av godset. Således, den avgörande faktorn i detta sammanhang är inte en specifik uppsättning biokemiska interaktioner – som i fallet med transport via motorproteiner i biologiska celler – utan den effektiva storleken på de inblandade partiklarna. "Partiklar som påverkas starkare av friktion, på grund av deras stora storlek, transporteras också vidare - det är det som står för sortering efter storlek, " säger Andriy Goychuk, också medförfattare till tidningen.

Med dessa resultat, teamet har visat involveringen av en rent fysisk (i motsats till en biologisk) form av transport baserad på diffusiofores i ett biologiskt mönsterbildande system. "Denna process är så enkel och grundläggande att det verkar troligt att den också spelar en roll i andra cellulära processer, och kan till och med ha använts i de tidigaste cellerna vid livets ursprung, " säger Frey. "Och i framtiden, det kan också vara möjligt att använda det för att placera molekyler på specifika platser inom artificiella minimala celler, " han lägger till.