EU-finansierade forskare från Tyskland och Polen har gjort några banbrytande upptäckter om cellcytoplasmans viskositet, vilket skulle kunna främja vår kunskap om cancercellers cytoplasma.
Leds av forskare från Institutet för fysikalisk kemi vid den polska vetenskapsakademin (IPC PAS), teamet stöddes delvis av ett bidrag för innovativ ekonomi från Europeiska regionala utvecklingsfonden (ERUF).
Viskositet är ett mått på en vätskas motstånd eller tjocklek. Ju mindre trögflytande vätskan är, desto större flytbarhet eller lätthet att röra sig i den. Vatten, till exempel, har låg viskositet, medan honung, vara helt tjockare och dystrare, har högre viskositet.
Det var Albert Einstein som först tog upp viskositeten hos komplexa vätskor 1906, och sedan dess har mycket forskning utförts på cellcytoplasmans viskositet.
Över åren, en mängd bevis har byggts upp, vilket indikerar att trots en hög cytoplasmaviskositet (vilket resulterar i teoretiskt låg lätthet att röra sig i cytoplasman), rörligheten för små proteiner i cytoplasman är i själva verket mycket hög - flera magnituder högre än vad Einsteins formel angav.
I deras studie, publiceras i tidskriften Nanobokstäver , teamet undersöker hur små proteinmolekyler nästan inte upplever denna cytoplasmans viskositet när de rör sig i cellen. De beskriver förändringarna i viskositet som mäts i olika lösningar och upplevs av sonder, varierar i storlek från en nano- till en makroskala.
"Vi förbättrade våra tidigare formler och slutsatser för att framgångsrikt tillämpa dem på ett större antal system, inklusive den första beskrivningen av cytoplasmans viskositet i cancerceller, " kommenterar professor Robert Holyst från IPC PAS.
Teamet kunde beskriva viskositetsförändringarna med en fenomenologisk formel som innehåller koefficienter av samma fysiska natur. Koefficienterna ger en beskrivning för både det flytande mediet (fyllt med ett nätverk av långkedjiga polymerer eller kluster av molekyler, till exempel) och vilken typ av sond (t.ex. en proteinmolekyl) som rör sig i mediet.
Den nya formeln kan sedan användas för sonder från en bråkdel av nanometer upp till flera centimeter i storlek.
Relationerna som hittades var generellt giltiga för olika typer av vätskor inklusive lösningar med en elastisk mikroskopisk struktur (t.ex. polymernätverk i olika lösningsmedel) och mikroskopiskt stela system (t.ex. sammansatta av långsträckta aggregat av molekyler - miceller).
Teamet tillämpade också dessa nya formler för att beskriva rörligheten hos DNA-fragment och andra sonder i musmuskelceller såväl som mänskliga cancerceller "Vi lyckades visa att vätskeviskositeten i cellen faktiskt inte bara beror på den intracellulära strukturen utan också på storleken på sonden som används vid viskositetsmätning, säger Tomasz Kalwarczyk, en doktorand från IPC PAS. "Vår forskning resulterade i en ny metod för att karakterisera cellstruktur - genom att mäta cytoplasmans viskositet."
Konsekvenserna av denna forskning är långtgående. Forskare kan nu bättre uppskatta migrationstiden för läkemedel som introduceras i celler, och denna kunskap kan också tillämpas på nanoteknik, till exempel vid tillverkning av nanopartiklar med micellära lösningar.
Resultaten av studien kommer också att ha en inverkan på avancerade mätmetoder som dynamisk ljusspridning, vilket gör att suspensioner av molekyler kan analyseras efter storlek.
