(Phys.org) —Kemiska ingenjörer från Rice University och biofysiker från Georg-August Universität Göttingen i Tyskland och VU University Amsterdam i Nederländerna har framgångsrikt spårat enstaka molekyler inuti levande celler med kolnanorör.

Genom denna nya metod, forskarna fann att celler rör om deras interiörer med samma motorproteiner som tjänar i muskelsammandragning.

Studien, som kastar nytt ljus över biologiska transportmekanismer i celler, dyker upp denna vecka i Vetenskap .

Teamet fäste kolnanorör för att transportera molekyler som kallas kinesinmotorer för att visualisera och spåra dem när de rörde sig genom cytoplasman hos levande celler.

"Jag är förvånad över hur mångsidiga kolnanorör är, " sa medförfattaren Matteo Pasquali, en risprofessor i kemisk och biomolekylär ingenjörskonst och i kemi. "Vi använder dem för ett brett spektrum av applikationer, från teknisk ledande fibrer till avbildning i celler."

Kolnanorör är ihåliga cylindrar av rent kol med en atomtjocka väggar. De fluorescerar naturligt med nära-infraröda våglängder när de utsätts för synligt ljus, en egenskap som upptäcktes i Rice av professor Rick Smalley för ett decennium sedan och sedan utnyttjades av risprofessor Bruce Weisman för att avbilda kolnanorör. När den är fäst vid en molekyl, liftnanorören fungerar som små fyrar som kan spåras exakt under lång tid för att undersöka små, slumpmässiga rörelser inuti celler.

"Varje sond som helst som kan fästa cellens längd och bredd, grovt det, slum det, kamp mot fruktansvärda odds, vinna igenom och fortfarande veta var dess protein är, är helt klart en sond att räkna med, " sa huvudförfattaren Nikta Fakhri, parafraserar "The Hitchhiker's Guide to the Galaxy". Fakhri, som tog sin doktorsexamen på ris i Pasqualis labb 2011, är för närvarande Human Frontier Science Program Fellow vid Göttingen.

"Faktiskt, den exceptionella stabiliteten hos dessa sonder gjorde det möjligt att observera intracellulära rörelser från tider så korta som millisekunder till så långa som timmar, " Hon sa.

För långväga transporter, såsom längs nervcellernas långa axoner, celler använder vanligtvis motorproteiner knutna till lipidvesiklar, cellens "lastcontainrar". Denna process kräver avsevärd logistik:lasten måste packas, fäst vid motorerna och skickas iväg i rätt riktning.

"Denna forskning har hjälpt till att avslöja ytterligare en, mycket enklare mekanism för transport i cellens inre, " sa chefsutredaren Christoph Schmidt, professor i fysik vid Göttingen. "Celler rör om sig själva, mycket på det sätt som en kemist skulle påskynda en reaktion genom att skaka ett provrör. Detta kommer att hjälpa dem att flytta runt föremål i den mycket trånga cellulära miljön."

Forskarna visade att samma typ av motorprotein som används för muskelsammandragning är ansvarig för omrörning. De nådde denna slutsats efter att ha exponerat cellerna för läkemedel som undertryckte dessa specifika motorproteiner. Testerna visade att omrörningen också undertrycktes.

Det mekaniska cytoskelettet hos celler består av nätverk av proteinfilament, som aktin. Inom cellen, motorproteinet myosin bildar buntar som aktivt drar ihop aktinnätverket under korta perioder. Forskarna fann att slumpmässig klämning av det elastiska aktinnätverket av många myosinknippen resulterade i den globala interna omrörningen av cellen. Både aktin och myosin spelar en liknande roll vid muskelkontraktion.

De mycket exakta mätningarna av interna fluktuationer i cellerna förklarades i en teoretisk modell utvecklad av VU-medförfattare Fred MacKintosh, som använde de elastiska egenskaperna hos cytoskelettet och motorernas kraftgenererande egenskaper.

"Den nya upptäckten främjar inte bara vår förståelse av celldynamik, men pekar också på intressanta möjligheter att utforma "aktiva" tekniska material, "sa Fakhri, som snart kommer att ansluta sig till Massachusetts Institute of Technology -fakulteten som biträdande professor i fysik. "Föreställ dig en mikroskopisk biomedicinsk enhet som blandar små prover av blod med reagenser för att upptäcka sjukdomar eller smarta filter som skiljer squishy från stela material."