Under celldelningen bildas en ring runt cellekvatorn, som drar ihop sig för att dela cellen i två dotterceller. Tillsammans med forskare från Heidelberg, Dresden, Tübingen och Harvard har professor Jan Kierfeld och Lukas Weise från institutionen för fysik vid TU Dortmund University för första gången lyckats syntetisera en sådan kontraktil ring med hjälp av DNA-nanoteknik och avslöja dess kontraktionsmekanism. . Resultaten har publicerats i Nature Communications .
Inom syntetisk biologi försöker forskare återskapa avgörande mekanismer för livet in vitro, som celldelning. Målet är att kunna syntetisera minimala celler. Forskargruppen ledd av professor Kerstin Göpfrich från Heidelbergs universitet har nu syntetiskt reproducerat kontraktila ringar för celldelning med polymerringar sammansatta av DNA-nanorör.
Bildandet av en ring som drar ihop och separerar delande celler är ett viktigt steg i naturlig celldelning. I naturen uppnås detta av ett maskineri av proteiner:motorproteiner som drivs av kemisk energi från ATP-hydrolys drar ihop en ring av filament av proteinet aktin. Adenosintrifosfat, eller ATP, är en molekyl som förekommer i alla levande celler och tillhandahåller energi för många cellulära processer.
Sammandragningsmekanismen för DNA-ringarna som utvecklats av forskarna är inte längre beroende av motorproteiner som drivs av ATP-hydrolys. Istället kan molekylär attraktion mellan ringsegment utlösa sammandragningen av polymerringarna.
Denna molekylära attraktion kan induceras på två sätt:antingen genom att tvärbinda molekyler med två "klibbiga" ändar som kan förbinda två polymersegment, eller genom utarmningsinteraktionen, där polymererna omges av "crowder"-molekyler som pressar ihop segmenten . Denna mekanism förbrukar ingen kemisk energi, vilket innebär att ingen energikälla behöver införlivas i den syntetiska cellen för att mekanismen ska fungera.
Professor Jan Kierfeld, professor i teoretisk fysik, och doktorandforskaren Lukas Weise arbetar inom området biologisk fysik. Som en del av sitt forskningsarbete har de utvecklat en teoretisk beskrivning och en molekylär dynamiksimulering av kontraktionsmekanismen, som matchar deras forskningspartners experimentella resultat.
För detta ändamål utarbetade de speciella metoder för att simulera DNA-ringarna i realistisk skala. Teorin och simuleringen gör det möjligt att kvantitativt förklara hur polymerringarna bildas och drar ihop sig.
"Detta betyder att vi inte bara kan förutsäga att en ökad koncentration av "crowder"-molekyler kommer att göra ringen mindre utan också hur mycket mindre, säger professor Kierfeld. På detta sätt är det möjligt att bestämma hur diametern på DNA-ringen kan kontrolleras exakt, vilket är mycket viktigt för framtida tillämpningar av kontraktila ringar inom syntetisk biologi.
Mekanismer för celldelning är ett viktigt steg mot en konstgjord cell, vars konstruktion underlättar en bättre förståelse av de funktionella mekanismerna hos naturliga celler och därmed av livets grunder.
Mer information: Maja Illig et al, Triggered contraction of self-assembled micron-scale DNA nanorub rings, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46339-z
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av TU Dortmund University
