För att hålla en cell vid liv, molekylära motorproteiner transporterar ständigt byggstenar och avfall över cellen, längs sitt biopolymernätverk. På grund av den höga densiteten av dessa proteiner, trasseleffekter tros påverka denna transport, precis som trafikstockningar påverkar gatutrafiken. Dock, inte mycket är känt om sådana trängseleffekter i mobiltrafik. Forskare i grupperna Erwin Peterman och Peter Schall vid LaserLaB (VU) och Institute of Physics (UvA) har nu hittat ett sätt att direkt visualisera och mäta dessa störningar i celltrafik. Deras resultat, som har publicerats i Fysisk granskning X Denna vecka, ge ny inblick i motorinteraktioner i den fullsatta molekylära motortransporten. Detta projekt får finansiering från NWO:s komplexitetsprogram.

Levande celler kräver en konstant transport av näring och avfall. Detta uppnås genom molekylära motorproteiner som transporterar organeller och andra byggstenar längs nätverket av biopolymerer i cytoskelet, som sträcker sig över cellens volym. De enskilda motorernas gångmekanism har studerats utförligt:​​Kinesin-1, till exempel, en viktig representant för Kinesin -familjen av proteiner, rör sig med det efterföljande, hand-över-hand-stegning av två motordomäner i väldefinierade steg på 8 nanometer. Det som hittills varit oklart är hur motorerna går och samverkar kollektivt. På grund av deras täta befolkning, trängseleffekter kan väsentligt påverka transporten över cellen, men hittills kunde dessa effekter inte nås i den tätbefolkade regimen.

Hastighetsmätningar

Forskare vid UvA och VU har nu gjort betydande framsteg i denna fråga genom att kombinera en ny korrelationsavbildningsteknik med fysisk modellering. Liksom i tidigare studier, de använde fluorescerande märkta motorer under väldefinierade förhållanden på mikrotubuli - komponenter i cellens cytoskelet - monterade på en glasskiva. Genom att korrelera de rörliga bildpunkterna för de fluorescerande motorproteinerna i rum och tid, forskarna kunde för första gången mäta deras hastighet och springa längs filamentet vid höga densiteter.

Dessa mätningar avslöjade en anmärkningsvärd bromsning av motorerna när densiteten ökade, demonstrerar bildandet av trafikstockningar. Dessa trafikstockningar bekräftades direkt i de observerade spåren av motorerna. Vidare, forskarna visade att dessa trafikstockningar var väl beskrivna av enkla transportmodeller, där motorproteinerna modelleras av hårda partiklar som hopar sig när de kommer in i varandras väg. Överraskande nog dock de olika motorarterna visade mycket olika längder över vilka de interagerar:från deras fysiska storlek som antagen i den enkla modellen, upp till ett avstånd 30 gånger större än denna storlek.

Även om förtydligandet av mekanismen bakom denna långsiktiga interaktion fortfarande är ett spännande öppet problem för framtida forskning, de nuvarande resultaten illustrerar redan motorernas mycket olika egenskaper. Att lära sig mer om dessa motorproteinspecifika egenskaper kan hjälpa till att hantera, eller till och med undertrycka störningar i celltrafiken. Till exempel, det är välkänt att, vid sjukdomar som Alzheimers sjukdom, neurontransport försvåras kraftigt, resulterar i lokala ansamlingar av motorproteiner och deras laster, som kan spela en roll för neurodegeneration.