Vidhäftande celler, den typ som bildar arkitekturen för alla flercelliga organismer, är mekaniskt konstruerade med exakta krafter som gör att de kan röra sig och hålla sig till saker. Proteiner som kallas integrinreceptorer fungerar som små händer och fötter för att dra dessa celler över en yta eller för att förankra dem på plats. När grupper av dessa celler sätts i en petriskål med en mängd olika substrat kan de känna av skillnaderna i ytorna och de kommer att "krypa" mot den styvare de kan hitta.

Nu har kemister tagit fram en metod som använder DNA-baserade spänningssonder för att zooma in på molekylär nivå och mäta och kartlägga dessa fenomen:Hur celler mekaniskt känner av sina miljöer, migrera och hålla sig till saker.

Naturkommunikation publicerade forskningen, ledd av Khalid Salaitas labb, biträdande professor i biomolekylär kemi vid Emory University. Medförfattare inkluderar mekaniska och biologiska ingenjörer från Georgia Tech.

Med deras nya metod, forskarna visade hur krafterna som appliceras av fibroblastceller faktiskt är fördelade på individuell molekylnivå. "Vi fann att var och en av integrinreceptorerna i omkretsen av celler i princip "känner" mekaniken i sin miljö, " säger Salaita. "Om ytan de känns mjukare, de kommer att lossa från det och om det är styvare, de kommer att binda. De gillar att plantera sina insatser i fast mark."

Varje cell har tusentals av dessa integrinreceptorer som spänner över cellmembranet. Cellbiologer har länge varit fokuserade på de kemiska aspekterna av hur integrinreceptorer känner av miljön och interagerar med den, medan förståelsen av de mekaniska aspekterna släpade efter. Cellmekanik är ett relativt nytt men växande område, som också involverar biofysiker, ingenjörer, kemister och andra specialister.

"Många bra och dåliga saker som händer i kroppen förmedlas av dessa integrinreceptorer, allt från sårläkning till metastaserande cancer, så det är viktigt att få en mer komplett bild av hur dessa mekanismer fungerar, säger Salaita.

Salaita-labbet utvecklade tidigare en fluorescerande sensorteknik för att visualisera och mäta mekaniska krafter på ytan av en cell med hjälp av flexibla polymerer som fungerar som små fjädrar. Dessa fjädrar är kemiskt modifierade i båda ändar. Ena änden får en fluorescensbaserad tändsensor som kommer att binda till en integrinreceptor på cellytan. Den andra änden är kemiskt förankrad till ett objektglas och en molekyl som släcker fluorescens. När kraft appliceras på polymerfjädern, den sträcker sig. Avståndet från quenchern ökar och den fluorescerande signalen tänds och blir ljusare. Att mäta mängden fluorescerande ljus som emitteras bestämmer mängden kraft som utövas.

Yun Zhang, en medförfattare till Naturkommunikation papper och en doktorand i Salaita-labbet, hade idén att använda DNA-molekylära beacons istället för flexibla polymerer. "Hon var ny på labbet och gav ett nytt perspektiv, säger Salaita.

De molekylära beacons är korta bitar av labbsyntetiserat DNA, vart och ett består av cirka 20 baspar, används i klinisk diagnostik och forskning. Fyrarna kallas DNA-hårnålar på grund av sin form.

DNA:s termodynamik, dess dubbelsträngade helixstruktur och energin som behövs för att den ska vikas är väl förstått, gör DNA-hårnålarna till mer raffinerade instrument för att mäta kraft. En annan viktig fördel är det faktum att deras ändar genomgående är på samma avstånd från varandra, Salaita säger, till skillnad från de slumpmässiga spolarna av flexibla polymerer.

I experiment, DNA-hårnålarna visade sig fungera mer som en vippströmbrytare än en dimmer. "De polymerbaserade spänningssonderna lindas gradvis av och blir ljusare när mer kraft appliceras, säger Salaita. Däremot DNA-hårnålar viker inte förrän du använder en viss mängd kraft. Och när den kraften väl tillämpas, de börjar dra upp blixtlåset och bara fortsätter att riva upp."

Dessutom, forskarna kunde kalibrera kraftkonstanten för DNA-hårnålarna, gör dem mycket inställbara, digitala instrument för att beräkna mängden kraft som appliceras av en molekyl, ner till piconewton-nivån.

"Tyngdkraften på ett äpple är ungefär en newton, så vi pratar om en miljon-miljondel av det, "Säger Salaita. "Det är lite häpnadsväckande att det är så lite kraft du behöver för att vika upp en bit DNA."

Resultatet är en spänningssond som är tre gånger känsligare än polymersonderna.

I en separat tidning, publiceras i Nanobokstäver , Salaita-labbet använde de DNA-baserade sonderna för att experimentera med hur densiteten hos ett substrat påverkar kraften som appliceras. "Intuitivt kanske du tror att en mindre tät miljö, erbjuder färre förankringspunkter, skulle resultera i mer kraft per ankare, " Sa Salaita. "Vi upptäckte att det faktiskt är tvärtom:Du kommer att se mindre kraft per ankare."

Mekanismen för avkänning av ligandmellanrum och vidhäftning till ett substrat verkar vara kraftmedierad, han säger. "Integrinreceptorerna måste vara tätt placerade för att motorn i cellen som genererar kraft ska kunna engagera sig med dem och begå kraften."

Nu använder forskarna de DNA-baserade verktyg de har utvecklat för att studera krafterna hos känsligare cellulära vägar och receptorer.

"Integrinreceptorer är slags odjur, de applicerar relativt höga krafter för att fästa vid den extracellulära matrisen, "Salaita säger. "Det finns många olika cellreceptorer som applicerar mycket svagare krafter."

T-celler, till exempel, är vita blodkroppar vars receptorer inte är fokuserade på vidhäftning utan på aktiviteter som att skilja en vänlig självpeptid från en främmande bakteriepeptid.

Salaita-labbet samarbetar med medicinska forskare i Emory för att förstå cellmekanikens roll i immunsystemet, blodkoagulering och neurala mönster av axoner.

"I grund och botten, vår utgångspunkt är att mekanik spelar en roll i nästan alla biologiska processer, och med dessa DNA-baserade spänningssonder vi kommer att avslöja, mäta och kartlägga dessa krafter, säger Salaita.