Denne artikkelen er produsert og finansiert av Universitetet i Oslo - les mer.
Forskere har lagt ned mye arbeid i å finne ut nøyaktig hvordan avfallsstoffer i cellene merkes for nedbrytning.(Illustrasjonsfoto: Kateryna Kon / Shutterstock / NTB)
Nå vet forskerne mer om hvordan cellene i kroppen resirkulerer avfallsstoffer
GRUNNFORSKNING: Funnet gir ny innsikt i en livsviktig cellefunksjon.
Autofagi er navnet på en resirkuleringsprosess der cellen «spiser opp» avfallsstoffer. Cellen bryter disse ned til nye byggesteiner.
Mangler i denne prosessen har blitt knyttet til kreft, degenerative sykdommer, som rammer hjernen og nervesystemet, og aldringsprosessen.
Cellene produserer en rekke avfallsstoffer. Disse som kan bestå av proteiner og andre cellekomponenter.
Noen av disse stoffene samler seg i små dråper som ikke blander seg med cellevæske rundt, på samme måte som oljedråper ikke blander seg med vann.
Om cellene ikke klarer å bryte ned disse avfallsstoffene forstyrrer dette normale cellefunksjoner.
Prosessen med nedbrytning
Prosessen med nedbrytning begynner med at små membranbiter vokser rundt disse dråpene og lager noe som som ligner en pose inne i cellen – en såkalt vesikkel. Innholdet i disse vesiklene blir så brutt ned til byggesteiner som gjenbrukes i cellen.
På denne måten er nedbrytningsprosessen helt avgjørende for at cellene fungerer normalt.
I løpet av de siste 20 årene har forskere lagt ned mye arbeid i å finne ut nøyaktig hvordan avfallsstoffer merkes for nedbrytning. De har også jobbet iherdig med å finne ut hvordan de små membranbitene dannes i løpet av prosessen og hvilke proteiner som regulerer denne prosessen.
På tross av dette har de visst veldig lite om hvilke mekanismer som påvirker membranene slik at de kan omslutte avfallsstoffer.
Til nå er det heller ingen forskere som helt sikkert har kunnet si at denne prosessen styres av bestemte proteiner alene eller om den også styres av fysikalske prinsipper.
Forskningsgruppen ved CanCell: Fra venstre til høyre ser vi Simona Migliano, Harald Stenmark, Andreas Brech og Sebastian W. Schultz.(Foto: Chema Bassols / Oslo Universitetssykehus)
En gruppe forskere ved CanCell-Senteret for kreftcellereprogrammering på Universitetet i Oslo (UiO) har i samarbeid med tyske og japanske kolleger brukt avanserte matematiske modeller for å beskrive kreftene som virker i cellens resirkuleringsprosess. Forskingen har vist hvordan de virker i menneskeceller.
Forskningsgruppen ledes av Harald Stenmark. Resultatene fra studien ble tidligere i år publisert i vitenskapsmagasinet Nature.
Avdekket en ny mekanisme i cellene
– Det som er spesielt med denne studien er at vi ved å bygge på resultater fra flere fagfelt har klart å avdekke en helt ny mekanisme i cellene, sier forsker Sebastian Schultz.
Han forteller at det i flere år har foreligget observasjoner fra denne prosessen der cellen bryter med avfallsstoffer til nye byggesteiner. Ingen har klart å forklare dette med de tradisjonelle teoriene om den såkalte autofagiprosessen.
Med den nye teorien om hvordan resirkuleringsprosessen skjer inne i cellen og hvilke krefter som ligger bak, kunne forskerne avsløre en ny mekanisme. Den forklarer hvordan membraner kan omkapsle hele proteindråper eller deler av dem. Den forklarer også hvordan så cellene kan «spise» slike dråper i sin helhet eller bit for bit.
Inne i cellene kan det dannes dråper fylt med avfallsstoffer (fremhevet med lilla sirkel). Membranbiter som sveiper gjennom cellen på jakt etter avfallsstoffer kan enten «spise» hele små dråper, eller biter av større dråper. Bildet til høyre viser en del av dråpen som er «spist», forstørret flere tusen ganger i et elektronmikroskop.(Foto: Sebastian Schultz / UiO)
Størrelse og seighet avgjør resirkulering
Annonse
Ved hjelp av avansert teknologi, datamodeller og menneskeceller har forskerne visualisert hvordan membranen fester seg på overflaten av proteindråper med avfallsstoffer og omkapsler enten hele dråpen eller bare deler av den.
Denne prosessen ble styrt av fysikalske prinsipper basert på størrelsen av dråpene med avfallsstoffer og seigheten i væsken.
Tidligere forskning har vist at dråpene blir større og mindre flytende i eldre personer. Forskere antar at denne effekten påvirker nedbrytingen av dråpene.
– Det vil si at proteindråpene er en mellomting mellom flytende og fast avhengig av den kraften som virker og hvor lenge materialet utsettes for kraften, sier Schultz.
Han forteller at maisstivelse blandet i vann har denne egenskapen som gjør at de kalles ikke-newtonske væsker. Det betyr at væsken endrer egenskap avhengig av hvor store krefter den utsettes for.
– Hvis du for eksempel forsøker å løpe over et grunt basseng med maisstivelse og vann i, vil du avhengig av blandingsgrad og kraft, faktisk kunne løpe et lite stykke oppå blandingen. Men om du stopper, så synker foten gjennom, forklarer Schultz.
Ifølge Schultz var det nettopp disse egenskapene som skulle vise seg å avgjøre hvorvidt en celle kunne resirkulere eller ikke. Dette gjorde at de oppdaget en helt ny mekanisme.
Kan gi bedre medisiner i fremtiden
For å forstå hva egenskapene til væsken inne i avfallsdråpene har å gjøre med cellens resirkuleringssystem, må vi ta et skritt tilbake.
Forskerne hadde sett at størrelsen på dråpene avgjorde hvorvidt resirkuleringsposene eller vesiklene, klarte å sluke de hele. Men nå fant de også ut det var avgjørende hvor flytende denne væsken i dråpene med avfallsstoffene var.
– Vi fant ut at autofagiprosessen reguleres av en prosess kalt Wetting. Det er samme type prosess som får en vanndråpe til å feste seg på et underlag og deformeres litt, sier Schultz.
Se for eksempel for deg en vanndråpe som fester seg på et stykke tynt matpapir som er strukket ut. Dråpen klamrer seg til matpapiret samtidig som den får matpapiret til å deformeres litt. En lignende fysisk mekaniske har forskerne oppdaget i cellene. Det er denne mekanismen som gjør det mulig for cellene å rense ut avfallsstoffer.
Annonse
– Mekanismen er egentlig ganske enkel. Når en bit av membranen møter en mindre dråpe med proteiner, bøyer den seg rundt dråpen og sluker den, sier Schultz.
Han peker på at det er viktig å forstå denne prosessen i detalj. Deres funn viser at det er flere faktorer som er avgjørende for om dråpene tas opp eller ikke: størrelsen på dråpene, hvor flytende dråpene er og de fysikalske egenskapene til de omsluttende membranbitene.
– For at resirkulering av dråper med avfallsstoffer skal skje på en effektivt måte må dråpene være relativt flytende. Dessverre er det slik at de med tiden gjerne blir fastere og at avfallsstoffer klumper seg sammen.
Sebastian Schultz sier at denne typen grunnforskning er viktig. Nå har forskerne fått en større forståelse også for de fysiske mekanismene som styrer cellenes rengjøringssystem. Bedre forståelse igjen kan bidra til nye medisiner.
– Det blir bare spekulasjoner på dette tidspunktet, men det kan hende at fremtidens medisiner vil kunne bøte på feil i cellenes søppelhåndteringssystem nettopp fordi vi begynner å forstå hvordan fysikken virker inn på de minste delene av cellene våre, avslutter Schultz.
Referanse:
Jaime Agudo-Canalejo og Sebastian W. Schultz mfl.: Wetting regulates autophagy of phase-separated compartments and the cytosol. Nature, 2021. (Sammendrag) Doi.org/10.1038/s41586-020-2992-3
