Ισχυρές, σταθερές δυνάμεις σε λειτουργία κατά τη διάρκεια της διαίρεσης του κυττάρου

Οι βιολόγοι, οι οποίοι μελετούν τις μηχανικές της διαίρεσης του κυττάρου, διαφωνούν εδώ και πολλά χρόνια σχετικά για το πόση δύναμη εφαρμόζεται όταν οι μοριακές μηχανές του κυττάρου ευθυγραμμίζουν τα χρωμοσώματα στο κύτταρο, προετοιμάζοντας το τράβηγμα των αντιγράφων στους αντίθετους πόλους, κατά μήκος μιας δομής τύπου-γέφυρας που ονομάζεται κινητοχώρος, για να σχηματιστούν δυο νέα κύτταρα. Το ερώτημα είναι θεμελιώδες για την κατανόηση του πώς διαιρούνται τα κύτταρα, λέει ο βιολόγος, στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης στο Amherst [πόλη στην Κομητεία Hampshire της Μασαχουσέτης], Thomas Maresca.

Όπως λέει: «Γνωρίζουμε ότι δεν μπορούμε να κατανοήσουμε πλήρως τη δομή του κινητοχώρου μέχρι να κατανοήσουμε τις δυνάμεις τάσης και τις εντάσεις τους, αλλά οι εκτιμήσεις είναι όλες άνω-κάτω. Διαφέρουν κατά πολλές τάξεις μεγέθους, εκατοντάδες φορές και μερικές ακόμη και χιλιαπλάσιες. Όμως τώρα, θεωρώ πως τελικά έχουμε τη απάντηση». Ο καθαρός διαχωρισμός των χρωμοσωμάτων είναι ένα θεμελιώδες ουσιαστικό βήμα για την σωστή διαίρεση του κυττάρου, σημειώνει ο βιολόγος. Προβληματικός διαχωρισμός οδηγεί σε ανευπλοειδία, που είναι η κύρια αιτία των αποβολών και των χρωμοσωματικών ανωμαλιών και επίσης συνδέεται με τον καρκίνο.

Χρησιμοποιώντας δυο διαφορετικούς αισθητήρες δύναμης για να μετρήσουν αντιτιθέμενες δυνάμεις μέσα στα διαιρούμενα κύτταρα της Δροσόφυλας [μύγα των φρούτων], ο Maresca και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο, κατέληξαν ότι οι ίνες του κινητοχώρου ασκούν δυνάμεις εκατοντάδων piconewtons* στους κινητοχώρους, προς την κατεύθυνση των πόλων, διευθετώντας το ζήτημα του πόση δύναμη εφαρμόζεται. Λεπτομέρειες δημοσιεύονται στο τρέχον τεύχος του Nature Communications. [*1pN είναι 1×10^-12 N ή αλλιώς ένα εκατομμυριοστό του εκατομμυριοστού του 1 N και 1 N είναι όσο περίπου το βάρος ενός μήλου, μάζας 102 γραμμαρίων.



Μια σύντομη ματιά στην έρευνα

Τα – πάνω από τρία χρόνια – πειράματα, απέδωσαν περισσότερα από 3200 δεδομένα, είπε Maresca. «Η φύση των πειραμάτων απαιτούσε πάρα πολλοί μεμονωμένοι κινητοχώροι να οπτικοποιηθούν κάτω από το μικροσκόπιο και να αναλυθούν διεξοδικά. Τα δεδομένα συνάδουν με δυνάμεις που είναι πολύ μεγάλες. Στο κόσμο της νονοκλίμακας των μοριακών κινητήρων, οι δυνάμεις που μετρήσαμε είναι πολύ μεγάλες. Στο εσωτερικό των κυττάρων υπάρχουν πολλοί και διαφορετικοί τύποι κινητήρων, πολλοί είναι όπως οι σπρίντερ, όμως αυτοί που έχουμε μετρήσει είναι περισσότερο όπως μια μπουλντόζα που ασκεί μεγάλη δύναμη, με αργό αλλά σταθερό ρυθμό. Ελπίζω τα αποτελέσματά μας να βοηθήσουν να επιλυθεί αυτό το μακροχρόνια υφιστάμενο ερώτημα».

Ο βιολόγος επισημαίνει ότι στην κανονική διαίρεση του κυττάρου, τα χρωμοσώματα ευθυγραμμίζονται κοντά στο κέντρο του κυττάρου, όπου μια δομή που αποκαλείται άτρακτος στοιχίζει δυο αντίγραφα κάθε χρωμοσώματος και βοηθά για να χωριστούν. Όλο αυτό απαιτεί μια πρωτεϊνική δομή σαν γέφυρα, που αποκαλείται κινητοχώρος, η οποία διατηρεί την καθαρή δύναμη ή την τάση, όπως τα καλώδια στη γέφυρα σταθεροποιώντας τα χρωμοσώματα, καθώς αυτά αλληλεπιδρούν με τα νήματα της ατράκτου, που αποκαλούνται μικροσωληνίσκοι. Όταν το κύτταρο είναι έτοιμο να διαιρεθεί, μοριακές μηχανές ξεχωρίζουν τα αντίγραφα του χρωμοσώματος. Οι μικροσωληνίσκοι παίζουν επίσης ενεργό ρόλο στη διαδικασία, ξεχωρίζοντας σαν μια φλούδα μπανάνας, καθώς εξελίσσεται η διαδικασία.

«Είναι πολύ σημαντικό να γνωρίζεις πόση δύναμη ασκούν οι μικροσωληνίσκοι και η άτρακτος στον κινητοχώρο, επειδή είναι κάτι όπως μια γέφυρα», λέει ο Maresca. «Εάν δεν γνωρίζεις τι δύναμη μπορεί να υποστηρίξει μια γέφυρα σου λείπει ένα βασικό κομμάτι της ιστορίας. Δεν θα ήθελες να οδηγήσεις επάνω σε μια γέφυρα με τόση μεγάλη αβεβαιότητα σχετικά με τις δυνάμεις που δρουν σε αυτήν. Το να μην έχουμε προσδιορίσει αυτό το ερώτημα της δύναμης σημαίνει ένα σοβαρό χάσμα στην βασική μας κατανόηση της κυτταρικής βιολογίας, ειδικά εφόσον οι κινητοχώροι είναι αναμφισβήτητα το πιο σημαντικές δομές μεταγωγής δύναμης στο κύτταρο. Είναι σαν τις γέφυρες του Μπρούκλιν στον κυτταρικό κόσμο».

Για την εργασία αυτή, οι ερευνητές, χρησιμοποιήθηκαν δυο διαφορετικοί αισθητήρες δύναμης που εισήχθησαν στους κινητοχώρους. Απεικόνισαν τα κύτταρα σε ισχυρά μικροσκόπια που ανίχνευσαν το φως που εκπέμπονταν από φθορίζοντα μόρια σε κάθε αισθητήρα. Ο ένας αισθητήρας σχεδιάστηκε να παρουσιάζει μειωμένο φθορισμό όταν εφαρμόζονταν σε αυτόν δύναμη, ενώ ο άλλος γινόταν λαμπρότερος κάτω από τέντωμα. Καθώς και οι δυο αισθητήρες είχαν ρυθμιστεί (καλιμπραριστεί) προηγουμένως, οι μετρούμενες αλλαγές στο φθορισμό ανταποκρίνονταν στην εφαρμογή ενός ορισμένου μέτρου δύναμης. Οι δυο μέθοδοι που αναφέρθηκαν συμφωνούσαν επιτρέποντας στους ερευνητές να φθάσουν σε ένα ισχυρό συμπέρασμα σχετικά με το μέτρο της δύναμης που εφαρμόζονταν στους κινητοχώρους.

«Οι κινητήρες που κινούνται κατά μήκος των διαδρομών των μικροσωληνίσκων, όπως τα αυτοκίνητα σε αυτοκινητόδρομο, κάνουν πολλή δουλειά στα κύτταρα. Αλλά τα δεδομένα μας, μας οδήγησαν να πιστεύουμε ότι στην πραγματικότητα είναι οι ίδιοι οι μικροσωληνίσκοι που είναι πιο ικανοί να ασκήσουν το μέτρο της δύναμης που μετρήσαμε», είπε ο Maresca. «Είναι ισχυρή, αλλά όχι γρήγορη και θεωρούμε ότι είναι οι δρόμοι, όχι οι κινητήρες, που εξασκούν το μεγαλύτερο μέρος της δύναμης».