På ytan av våra biljoner celler finns en komplex skara molekyler som rör sig, prata med varandra, ibland segregerar sig själva, och utlösa grundläggande funktioner som sträcker sig från smärtkänsla till insulinfrisättning.

Strukturerna som organiserar denna mikroskopiska trafikstockning är inte längre osynliga, tack vare Colorado State University-forskare. Ett multidisciplinärt team av enmolekylära biofysiker och biokemister har kastat ljus över en länge förtäckt cellulär process:ett däggdjurscellmembrans förhållande till en byggnadsställning under den, det kortikala aktincytoskelettet. För första gången, CSU-teamet har gjort realtidsobservationer av detta cytoskelett som fungerar som en barriär som organiserar proteiner på cellens yta, effektivt spela trafikpolis på cellens membranaktiviteter.

Den banbrytande visualiseringen och analysen av denna mest grundläggande biologiska process - hur ett cellmembran interagerar med sin intracellulära miljö och kontrollerar cellulära funktioner - uppnåddes gemensamt av Diego Krapfs labb, docent i elektro- och datateknik och biomedicinsk teknik, och Michael Tamkun, professor i biomedicinska vetenskaper vid College of Veterinary Medicine and Biomedical Sciences, och biokemi, i Naturvetenskapliga högskolan. Forskarnas studie kommer i en kommande upplaga av Fysisk granskning X , med första författaren Sanaz Sadegh, en Ph.D. student i Krapfs labb.

I deras studie, forskarna använde en kraftfull superupplösningsteknik som kallas fotoaktiverad lokaliseringsmikroskopi (PALM), som, genom att kringgå ljusets naturliga diffraktionsgräns, gör det möjligt för forskare att ta skarpa bilder och videor av biologiska processer i nanoskala. Superupplösningsmikroskopi var föremål för 2014 års Nobelpris i kemi.

CSU-forskarna fokuserade på rörelserna av kaliumjonkanaler, en typ av protein som är avgörande för cellulära funktioner på cellytan, och hur dessa jonkanaler interagerar med det kortikala aktincytoskelettet. Cytoskelettet är ett spindelvävsliknande nätverk av filament precis under cellmembranet som ger cellen en del av dess form och struktur. Forskare hade tidigare antagit att cytoskelettet spelar en avgörande roll för att hjälpa membranproteinerna som studsar cellytan att organisera sig och överföra signaler för att hålla cellen frisk och fungerande. Men att visuellt fånga denna aktin-proteininteraktion i levande celler hade varit omöjligt.

"Proteiner på cellytan, som jonkanaler, har mycket massa som hänger ner i cellen, Tamkun förklarade. "Det är den där intracellulära massan som kolliderar med aktinnätverket."

Med hjälp av ett specialdesignat superupplösningsmikroskop, forskarna gjorde filmer som fångade de exakta ögonblicken när jonkanalerna kolliderade med aktinnätverket. Vad mer, de utförde statistisk analys av dessa rörelser för att ge bevis på aktinets viktigaste strukturella element. Det kortikala aktinnätverket i en cell är en fraktal, vilket betyder att den är strukturellt lik vid skalor av varierande längd.

"Aktinnätverkets fraktala natur förklarar våra mätningar, " Sadegh sade. "Det leder oss att ifrågasätta varför vi ser så många fraktaler i naturen. Är det ett effektivt sätt att organisera funktioner? Det är en intressant fråga för framtida studier."

CSU-forskarnas analys visade att cellmembranproteinernas slumpmässiga rörelser uppvisar sofistikerade mönster. Bland deras observationer var att proteinerna tenderade att studsa tillbaka till de platser de tidigare hade besökt. För första gången, CSU-forskarna erbjöd statistiska och visuella bevis för att denna återhämtning är direkt orsakad av aktinets fraktala natur.

Den främsta tekniska utmaningen var att uppnå högupplösta bilder i mycket korta skurar, enligt Krapf. "Om vi ​​väntar 10 sekunder, cellcytoskelettet förändras, så vi måste avbilda det snabbt. Vi använde två sekunders intervaller, och inom dessa sekunder behövde vi erhålla en rumslig upplösning som är tillräckligt hög för att se kollisioner mellan individuella membranproteiner och aktinstrukturen."

Forskarna vill förstå allt om cellmembranet, för det är så cellen kommunicerar med sin yttre miljö, och det kan ha nyckeln till sjukdomsprogression och andra aspekter av människors hälsa. "Det är viktigt för oss att förstå hur cellen organiserar sitt membran för att hålla saker på de platser de behöver vara, " sa Sadegh. Hon föreslog att framtida studier skulle kunna fokusera på specifika platser på membranet - till exempel, var endocytos äger rum - och hur aktinnätverket reglerar lokaliserad aktivitet.