Wissenschaftler der Universität Groningen und des Universitätsklinikums Groningen nutzten molekulare Motoren, um die Proteinmatrix zu manipulieren, auf der mesenchymale Stammzellen aus dem Knochenmark gezüchtet werden. Rotierende Motoren veränderten die Proteinstruktur, was dazu führte, dass die Stammzellen dazu neigten, sich zu Knochenzellen (Osteoblasten) zu differenzieren. Ohne Rotation blieben die Stammzellen in der Regel multipotent. Diese Ergebnisse, die beim Tissue Engineering verwendet werden könnten, wurden am 29. Januar in Science Advances veröffentlicht.
'Zellen reagieren empfindlich auf die Struktur der Oberfläche, an der sie haften', erklärt Patrick van Rijn, außerordentlicher Professor für Materiebiologie und Nanobiomaterialien."Und Bewegung ist ein wichtiger Antrieb in der Biologie, insbesondere kontinuierliche Bewegung." Aus diesem Grund entschieden sich Van Rijn und Feringa und ihre Kollegen, molekulare Motoren zu verwenden, um die Proteinmatrix zu manipulieren, auf der Stammzellen gezüchtet werden. Die lichtgetriebenen Motormoleküle wurden vom Nobelpreisträger für Chemie 2016, Ben Feringa, entworfen.
Strukturelle Veränderungen
Die Wissenschaftler verknüpften molekulare Motoren mit einer Glasoberfläche. Anschließend wurde die Oberfläche mit Protein beschichtet und entweder UV-Strahlung ausgesetzt, um die Motoren anzutreiben, oder gar nicht bestrahlt. Nach etwa einer Stunde wurde die motorische Bewegung gestoppt und Zellen wurden auf die Proteinschicht ausgesät und zum Anhaften belassen. Abschließend wurden Differenzierungsfaktoren hinzugefügt. Diese Experimente zeigten, dass Zellen, die auf Protein gezüchtet wurden, das der Drehbewegung der molekularen Motoren ausgesetzt war, dazu neigten, sich häufiger zu Knochenzellen zu spezialisieren, während Zellen, die auf Protein ausgesät wurden, das nicht gestört wurde, eher dazu neigten, ihre Stammzelleigenschaften beizubeh alten.
Beobachtungen der Proteinschicht mittels Rasterkraftmikroskopie und Simulationen der Wechselwirkung zwischen den Motormolekülen und Proteinen, die von der Forschungsgruppe von Prof. Marrink durchgeführt wurden, zeigten, dass die Bewegung subtile strukturelle Veränderungen in der Proteinmatrix auslöste. "Die Bewegung von Motormolekülen stört die Alpha-Helices in den Proteinen, was zu strukturellen Veränderungen führt", erklärt Van Rijn. Er vergleicht es mit dem Unterschied in der Textur zwischen einem ungeschlagenen und einem geschlagenen Eiweiß.
Zellschicksal
Die Veränderung der Oberflächenstruktur des anhaftenden Proteins wirkt sich darauf aus, wie sich die Zellen anheften, zum Beispiel wie weit sie sich ausdehnen. Dadurch wird eine Signalkaskade in Gang gesetzt, die schließlich zu verändertem Verh alten führt, etwa der Differenzierung in Knochenzellen. Somit führt molekulare Bewegung zu nanoskopischen Veränderungen in der Oberflächenstruktur, was wiederum zu Unterschieden in der Zellanhaftung, Zellmorphologie und schließlich Zelldifferenzierung führt.„Es ist wie ein Dominoeffekt, bei dem kleinere Steine nacheinander etwas größere umwerfen, sodass mit einem kleinen Auslöser eine große Wirkung erzielt werden kann.“
'Das Verändern der Eigenschaften einer Oberfläche zur Beeinflussung des Zellschicksals wurde bereits früher verwendet', sagt Van Rijn. Dies geschah jedoch hauptsächlich mit Sch altern, es gab also nur einen Wechsel von einem Zustand in einen anderen. „In unserer Studie hatten wir eine kontinuierliche Bewegung, die viel mehr mit der kontinuierlichen Bewegung in biologischen Transport- und Kommunikationssystemen übereinstimmt. Die Tatsache, dass die Motoren durch Licht angetrieben werden, ist wichtig“, fügt Van Rijn hinzu. „Licht kann räumlich und zeitlich sorgfältig kontrolliert werden. Damit könnten wir komplexe Geometrien in der Wachstumsmatrix erzeugen, die dann zu unterschiedlichen Eigenschaften der Zellen führen.“Daher könnten lichtgesteuerte molekulare Motoren ein nützliches Werkzeug in der Gewebezüchtung sein.
