p Células aderentes, o tipo que forma a arquitetura de todos os organismos multicelulares, são mecanicamente projetados com forças precisas que permitem que eles se movam e se fixem nas coisas. Proteínas chamadas de receptores de integrinas agem como pequenas mãos e pés para puxar essas células através de uma superfície ou para ancorá-las no lugar. Quando grupos dessas células são colocados em uma placa de Petri com uma variedade de substratos, eles podem sentir as diferenças nas superfícies e "rastejar" em direção à placa mais rígida que encontrarem. p Agora, os químicos desenvolveram um método usando sondas de tensão baseadas em DNA para aumentar o zoom no nível molecular e medir e mapear esses fenômenos:como as células detectam mecanicamente seus ambientes, migrar e aderir às coisas.

p Nature Communications publicou a pesquisa, liderado pelo laboratório de Khalid Salaita, professor assistente de química biomolecular na Emory University. Os co-autores incluem engenheiros mecânicos e biológicos da Georgia Tech.

p Usando seu novo método, os pesquisadores mostraram como as forças aplicadas pelas células de fibroblastos são realmente distribuídas no nível da molécula individual. "Descobrimos que cada um dos receptores de integrina no perímetro das células está basicamente 'sentindo' a mecânica de seu ambiente, "Salaita diz." Se a superfície que eles sentem é mais macia, eles vão se desvincular dele e se for mais rígido, eles vão ligar. Eles gostam de plantar suas estacas em solo firme. "

p Cada célula possui milhares desses receptores de integrina que se espalham pela membrana celular. Os biólogos celulares há muito tempo se concentram nos aspectos químicos de como os receptores de integrina percebem o ambiente e interagem com ele, enquanto a compreensão dos aspectos mecânicos demorou. A mecânica celular é um campo relativamente novo, mas em crescimento, que também envolve biofísicos, engenheiros, químicos e outros especialistas.

p "Muitas coisas boas e ruins que acontecem no corpo são mediadas por esses receptores de integrina, tudo, desde a cicatrização de feridas até o câncer metastático, por isso é importante ter uma visão mais completa de como esses mecanismos funcionam, "Salaita diz.

p O laboratório Salaita desenvolveu anteriormente uma técnica de sensor fluorescente para visualizar e medir forças mecânicas na superfície de uma célula usando polímeros flexíveis que agem como minúsculas molas. Essas molas são quimicamente modificadas em ambas as extremidades. Uma extremidade recebe um sensor de ativação baseado em fluorescência que se liga a um receptor de integrina na superfície da célula. A outra extremidade é quimicamente ancorada a uma lâmina de microscópio e a uma molécula que extingue a fluorescência. Conforme a força é aplicada à mola de polímero, ele se estende. A distância do supressor aumenta e o sinal fluorescente acende e fica mais brilhante. Medir a quantidade de luz fluorescente emitida determina a quantidade de força que está sendo exercida.

p Yun Zhang, um co-autor do Nature Communications papel e um aluno de pós-graduação no laboratório de Salaita, teve a ideia de usar faróis moleculares de DNA em vez de polímeros flexíveis. "Ela era nova no laboratório e trouxe uma nova perspectiva, "Salaita diz.

p Os faróis moleculares são pequenos pedaços de DNA sintetizado em laboratório, cada um consistindo de cerca de 20 pares de bases, usado em diagnósticos clínicos e pesquisa. Os faróis são chamados de grampos de DNA por causa de sua forma.

p A termodinâmica do DNA, sua estrutura de hélice de fita dupla e a energia necessária para que ela se dobre são bem compreendidos, tornando os grampos de DNA instrumentos mais refinados para medir a força. Outra vantagem importante é o fato de que suas extremidades estão sempre à mesma distância, Salaita diz, ao contrário das bobinas aleatórias de polímeros flexíveis.

p Em experimentos, os hairpins de DNA funcionaram mais como um botão de alternância do que como um botão mais escuro. "As sondas de tensão baseadas em polímero se desenrolam gradualmente e tornam-se mais brilhantes à medida que mais força é aplicada, "Salaita diz." Em contraste, Os grampos de DNA não se movem até que você aplique uma certa quantidade de força. E uma vez que essa força é aplicada, eles começam a descompactar e continuam a descompactar. "

p Além disso, os pesquisadores conseguiram calibrar a constante de força dos grampos de DNA, tornando-os altamente ajustáveis, instrumentos digitais para calcular a quantidade de força aplicada por uma molécula, até o nível de piconewton.

p "A força da gravidade em uma maçã é de cerca de um newton, então estamos falando de um milhão de milionésimo disso, "Salaita diz." É uma espécie de estonteante que você precisa de tão pouca força para desdobrar um pedaço de DNA. "

p O resultado é uma sonda de tensão três vezes mais sensível do que as sondas de polímero.

p Em um papel separado, publicado em Nano Letras , o laboratório de Salaita usou as sondas baseadas em DNA para experimentar como a densidade de um substrato afeta a força aplicada. "Intuitivamente, você pode pensar que um ambiente menos denso, oferecendo menos pontos de ancoragem, resultaria em mais força por âncora, "Salaita disse." Descobrimos que na verdade é o oposto:você verá menos força por âncora. "

p O mecanismo de detecção do espaçamento do ligante e aderência a um substrato parece ser mediado pela força, ele diz. "Os receptores de integrina precisam estar bem espaçados para que o motor na célula que gera a força se engaje com eles e comprometa a força."

p Agora os pesquisadores estão usando as ferramentas baseadas em DNA que desenvolveram para estudar as forças de vias e receptores celulares mais sensíveis.

p "Receptores de integrina são uma espécie de feras, eles aplicam forças relativamente altas, a fim de aderir à matriz extracelular, "Salaita diz." Existem muitos receptores de células diferentes que aplicam forças muito mais fracas. "

p Células T, por exemplo, são glóbulos brancos cujos receptores estão focados não na adesão, mas em atividades como distinguir um autopeptídeo amigável de um peptídeo bacteriano estranho.

p O laboratório de Salaita está colaborando com pesquisadores médicos em Emory para entender o papel da mecânica celular no sistema imunológico, coagulação do sangue e padronização neural dos axônios.

p "Basicamente, nossa premissa é que a mecânica desempenha um papel em quase todos os processos biológicos, e com essas sondas de tensão baseadas em DNA, vamos descobrir, medir e mapear essas forças, "Salaita diz.