Med hjälp av ett ultrasnabbskannande atomkraftmikroskop, ett team av forskare från universitetet i Basel har för första gången filmat "levande" kärnporkomplex i arbete. Kärnporer är molekylära maskiner som styr trafiken som kommer in i eller ut ur cellkärnan. I deras artikel publicerad i Naturens nanoteknik , forskarna förklarar hur passage av oönskade molekyler förhindras av snabbt rörliga molekylära "tentakler" inuti poren.

Atomkraftsmikroskopet (AFM) är inte ett mikroskop att titta igenom. Som en blind man använder sina fingrar, det "känner" en yta med en extremt fin spets för att lösa upp små cellulära strukturer på bara miljondelar av en millimeter i storlek, såsom porerna i kärnkraftshöljet. Dock, denna process är normalt långsam och kan ta upp till en minut att fånga en bild. I jämförelse, moderna höghastighets AFM:er kan spela in filmer av molekyler i aktion genom att fånga flera hundra bilder per minut.

Använder höghastighets AFM, Roderick Lim, Argovia professor vid Biozentrum och det schweiziska nanovetenskapsinstitutet vid universitetet i Basel, har inte bara direkt visualiserat kärnporens selektiva barriär, men också dess dynamiska beteende för att lösa ett långvarigt mysterium om hur oönskade molekyler hindras från att komma in i kärnan.

Kärnporkomplex reglerar transporten av molekyler

Den övergripande strukturen av kärnporerna är allmänt känd. Det här är inte enkla hål, men är massiva transportnav som införlivas i tusentals i kärnmembranet. De har en munkformad struktur som består av ett trettiotal olika proteiner, kallas nukleoporiner, och en central transportkanal. Inuti poren, flera oordnade proteiner (FG Nups) bildar en selektivitetsbarriär eller filter. Även om små molekyler lätt kan passera denna barriär, stora molekyler som proteiner hindras från att komma in i kärnporen. Ett undantag från detta är de proteiner som behövs i cellkärnan, till exempel, för reparation eller replikering av genetiskt material. Deras translokation från cytoplasman till kärnan assisteras av transportreceptorer som känner igen en specifik "adresstagg" som bärs av dessa proteiner.

High-speed AFM avslöjar dynamiska processer

"Med höghastighets AFM kunde vi för första gången, kika in i inhemska kärnporkomplex, endast fyrtio nanometer i storlek", säger Lim. "Den här metoden är en riktig spelförändring. Vi kunde se de enskilda FG Nups och filma dem i aktion. Detta var inte möjligt förrän nu!"

Dessutom, Yusuke Sakiyama, doktoranden som utförde experimenten, var tvungen att odla superskarpa kolnanofibrer på varje höghastighetssond för att nå inuti NPC. Detta genererar sedan en videosekvens från flera bilder som gör det möjligt för forskaren att observera den "verklighetstrogna" dynamiken i biologiska processer på nanometernivå.

En barriär av böljande molekylära "tentakler"

På grund av den höga rumsliga och tidsmässiga upplösningen, forskarna kunde visa att FG Nup-filamenten är mycket flexibla. "De är inte styva borst utan tvärtom. Som de tunnaste tentaklarna, FG Nups fluktuerar snabbt, förlänga och dra tillbaka, och ibland till och med kortvarigt blandas in i poren", säger Lim. Hastigheten på deras rörelse avgör vilka molekyler som kan passera genom poren. "Stora partiklar rör sig mycket långsammare än FG Nups och hindras därmed från att komma in i NPC av upprepade kollisioner", förklarar Lim. "Små molekyler, dock, genomgår snabb diffusion och har stor sannolikhet att passera FG Nup-barriären."

Genom att förstå hur NPC:er fungerar som transportnav i levande celler, Lim som är medlem i NCCR Molecular Systems Engineering undersöker nu hur NPC-inspirerade selektiva filter kan reglera molekylär trafik i icke-biologiska system.