Bio-ingenieurs ontwikkelen routekaart voor eiwitassemblage voor uit de natuur afkomstige nanobellen

Wat betreft wateruitrusting zijn floaties niet bepaald hightech. Maar de kleine luchtbelletjes die sommige micro-organismen gebruiken als drijfmiddelen wanneer ze concurreren om licht op het wateroppervlak, zijn een ander verhaal.

De micrometergrote bellen, bekend als gasvesikels (GV’s), zijn veelbelovend voor een groot aantal biomedische toepassingen, waaronder beeldvorming, sensing, cellulaire manipulatie en tracking en meer. Het probleem is dat onderzoekers nog niet weten hoe ze medisch bruikbare GV-variëteiten in het lab kunnen maken.

Bio-ingenieurs van Rice University hebben nu een routekaart gemaakt die laat zien hoe een groep eiwitten interacteert om de nanometerdunne schil van de bellen te laten ontstaan. Door een aantal van de complexe moleculaire processen die plaatsvinden tijdens de GV-assemblage te ontwarren, zijn Rice-bio-ingenieur George Lu en zijn team in het Laboratory for Synthetic Macromolecular Assemblies nu een stap dichter bij het ontsluiten van krachtige nieuwe diagnostiek en therapieën op basis van deze natuurlijk voorkomende structuren.

“GV’s zijn in feite kleine luchtbelletjes, dus ze kunnen samen met echografie worden gebruikt om dingen in ons lichaam zichtbaar te maken, zoals kanker of specifieke delen van het lichaam”, aldus Manuel Iburg, een postdoctoraal onderzoeker bij Rice die de hoofdauteur is van een studie gepubliceerd in Het EMBO-tijdschrift. “Maar GV’s kunnen niet in een reageerbuis of op een lopende band worden gemaakt, en we kunnen ze niet vanaf nul produceren.”

De familie van GV’s omvat enkele van de kleinste bubbels die ooit zijn gemaakt en ze kunnen maandenlang blijven bestaan. Hun stabiliteit over langere tijdsperiodes is grotendeels te danken aan de speciale structuur van hun proteïne-omhulsel, dat doorlaatbaar is voor zowel individuele water- als gasmoleculen, maar een binnenoppervlak heeft dat zeer waterafstotend is – vandaar het vermogen van de GV’s om gas binnen te houden, zelfs als ze ondergedompeld zijn. En in tegenstelling tot synthetische nanobubbels, die van buitenaf van gas worden voorzien, halen GV’s gas uit de omringende vloeistof.

De in het water levende fotosynthetische bacteriën die GV’s gebruiken om dichter bij zonlicht te drijven, hebben specifieke genen die coderen voor de eiwitten waaruit deze speciale schil bestaat. Maar ondanks dat ze precies weten hoe de kleine belletjes eruit zien en zelfs waarom ze de neiging hebben om samen te klonteren, moeten onderzoekers nog steeds de eiwitinteracties achterhalen die het assemblageproces van de structuren mogelijk maken. Zonder enig inzicht in de werking van deze eiwitbouwstenen, moeten plannen voor het inzetten van in het laboratorium ontwikkelde GV’s in medische toepassingen in de wacht worden gezet.

Om dit probleem aan te pakken, richtten de onderzoekers zich op een groep van 11 eiwitten waarvan ze wisten dat ze deel uitmaakten van het assemblageproces. Ze bedachten een methode om bij te houden hoe elk van deze eiwitten op zijn beurt met de andere eiwitten in de levende oudercellen interacteert.

“We moesten extreem grondig zijn en constant controleren of onze cellen nog steeds GV’s maakten,” zei Iburg. “Een van de dingen die we leerden, is dat sommige GV-eiwitten zonder al te veel moeite kunnen worden aangepast.”

De onderzoekers gebruikten dit inzicht om bepaalde GV-eiwitten toe te voegen of weg te halen terwijl ze de tests uitvoerden, waardoor ze erachter konden komen dat interacties tussen sommige eiwitten hulp van andere eiwitten nodig hadden om zich goed te ontvouwen. Ze controleerden ook of deze individuele interacties veranderden in de loop van het GV-assemblageproces.

“Door middel van veel van dergelijke permutaties en iteraties hebben we een routekaart gemaakt die laat zien hoe al deze verschillende eiwitten moeten interacteren om een ​​GV in de cel te produceren,” zei Iburg. “We hebben uit onze experimenten geleerd dat deze routekaart van GV-interacties erg dicht is met veel onderling afhankelijke elementen. Sommige van de GV-eiwitten vormen subnetwerken die een kleinere functie lijken te vervullen in het algehele proces, sommige moeten interacteren met veel van de andere delen van het assemblagesysteem en sommige veranderen hun interacties in de loop van de tijd.”

“Wij denken dat GV’s een groot potentieel hebben om te worden gebruikt voor nieuwe, snelle en comfortabele echografie-gebaseerde diagnose of zelfs behandelingsopties voor patiënten,” zei Lu, een assistent-professor bio-engineering aan Rice en een Cancer Prevention and Research Institute of Texas (CPRIT) Scholar. “Onze bevindingen kunnen onderzoekers ook helpen GV’s te ontwikkelen die bestaande behandelingen nog preciezer, handiger en effectiever maken.”