Nu kan reaktioner i levande celler mätas utan yttre störning

Forskare vid Uppsala och Stockholms universitet har utvecklat en ny metod för att mäta bindningsreaktioner i levande celler utan att utsätta dem för yttre störning. Resultaten hjälper forskare att förstå hur biokemin i en levande cell skiljer sig från det man kan mäta i provrör. Detta bidrar till bättre modeller av cellens regulatoriska nätverk som i sin tur kan användas för att förstå hur sjukdomstillstånd uppstår.

Den nya metoden presenteras i en artikel i den vetenskapliga tidskriften Nature Methods. Metoden använder en kombination av högfrekvent och högupplöst ljusmikroskopi och statistiska datorberäkningar.

Traditionella biokemiska mätningar av kinetik i celler bygger på att miljontals molekyler förs ur jämvikt med hjälp av någon form av yttre störning och sedan observerar man hur fort medelvärdet återgår till jämvikt. Den typen av experiment går sällan att göra i levande celler eftersom molekylerna befinner sig i olika tillstånd och all information om hur fort molekylerna växlar mellan tillstånden försvinner om man tittar på medelvärden.

- Genom att betrakta en molekyl i taget och se hur den rör i cellen kan vi få information om hur ofta molekylen byter bindningstillstånd, säger forskaren Fredrik Persson vid Uppsala universitet.

Molekyler och andra små objekt i vattenlösning rör sig slumpmässigt i ett rörelsemönster som kallas diffusion och som drivs av ständiga kollisioner med molekyler i den omgivande vätskan. Hur fort molekylerna förflyttar sig med hjälp av diffusion beror på molekylens storlek; små molekyler diffunderar snabbare än stora, och det är detta samband som forskarna har utnyttjat för att detektera när molekylerna byter bindningspartners.

– Förändringen är svår att se med blotta ögat, men med hjälp av statistiska datorberäkningar går det att räkna ut hur många olika diffusionstillstånd en viss molekyl uppvisar. Man kan också se hur ofta molekylen byter mellan olika tillstånd och därmed mäta kemiska reaktionskonstanter i levande celler utan att utsätta dem för yttre störningar, säger Martin Lindén, forskare vid Stockholms universitet.

Vad kan man då använda den nya metoden till?

– Kunskap om vilka bindningstillstånd proteinerna har inne i cellen och hur fort de binder till olika komplex gör det möjligt för oss att förstå hur biokemin i en levande cell skiljer sig från det man kan mäta i provrör, säger Johan Elf, professor i fysikalisk biologi vid Uppsala universitet.

Den nya metoden kan även utnyttjas för att göra bättre modeller av cellernas regulatoriska nätverk. Dessa modeller kan sedan användas till exempel för att förstå hur sjukdomstillstånd uppstår och i bästa fall hur de kan botas.

För mer information kontakta Johan Elf, institutionen för cell och molekylärbiologi, Science for Life Laboratory, Uppsala universitet, tel: 018-471 4678 eller e-post: johan.elf@icm.uu.se

Persson et al., Extracting intracellular diffusive states and transition rates from single-molecule tracking data, Nature Methods, DOI: 10.1038/nmeth.2367