Enzimele din afara celulei accelerează mișcarea moleculară și absorbția de transferină
Cercetătorii de la Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN), împreună cu parteneri naționali și internaționali de la University of Pennsylvania, IIT Jodhpur și Indian Institute of Science Education and Research Kolkata, au arătat că o reacție chimică desfășurată în fluidul din jurul unei celule poate determina, prin ea însăși, o absorbție mai mare a unei încărcături specifice. Studiul, publicat în revista Small, demonstrează că enzimele pot accelera mișcarea moleculelor din mediul extracelular fără să intre în celulă și fără să modifice încărcătura transportată.
Dr. Krishna Kanti Dey, autorul corespunzător al studiului și conferențiar în Departamentul de Fizică al IITGN, care conduce Laboratorul de Materie Softă și Vie, explică faptul că enzimele acționează ca niște mașinării proteice ce conduc o gamă vastă de reacții în organism, însă efectul lor asupra transportului molecular se produce fără ca acestea să pătrundă în celulă. Pentru a ilustra fenomenul, cercetătorii folosesc analogia unui iaz: o minge de tenis aruncată în apă liniștită abia s-ar mișca, dar dacă iazul este plin de înotători mici și neobosiți care agită apa, mingea începe să se deplaseze mult mai departe și ajunge mai repede la margine.
În experimentele celulare, agitația mecanică produsă de enzime împinge moleculele din apropiere spre celulă, determinând absorbția unei cantități mai mari din acestea. Molecula vizată este transferina, o proteină folosită de organism pentru a transporta fierul în celule, iar suprafața celulară este presărată cu receptori care prind transferina și o introduc în interior prin endocitoză mediată de clatrină. Dr. Dhiraj Bhatia, autorul corespunzător al studiului și conferențiar în Departamentul de Științe Biologice și Inginerie al IITGN, a declarat că transferina a fost aleasă pentru că traseul ei în celulă este cartografiat în detaliu de zeci de ani, astfel încât orice schimbare produsă de enzime să fie clar detectabilă, iar același tipar a fost observat cu două sisteme enzimă-substrat foarte diferite.
Cercetătorii au folosit transferină marcată fluorescent, permițând celulelor să o absoarbă cu și fără enzime active în apropiere. Celulele cu enzime funcționale au strălucit mai intens, ceea ce indică o absorbție cu aproximativ 17% mai mare. Pentru a înțelege motivul, echipa a urmărit mișcarea transferinei prin microscopie de fluorescență cu reflexie totală internă (TIRF), observând că aceasta se deplasa cu aproximativ 50% mai rapid când enzimele erau active. O a doua tehnică, spectroscopia de corelație fluorescentă, a măsurat creșteri ale difuzivității transferinei de aproximativ 40% cu enzima urează și de 44% cu fosfataza alcalină.
Nividha, primul autor al studiului și doctorand în Departamentul de Fizică al IITGN, a precizat că absorbția crescută nu este influențată de schimbări în celule sau în chimismul încărcăturii, ci de faptul că enzimele active agită fluidul extracelular, accelerând mișcarea încărcăturii. Pentru a stabili dacă enzimele generează într-adevăr perturbația fizică sugerată, cercetătorii au folosit pensete optice, o tehnică ce utilizează un fascicul laser focalizat pentru a măsura forțe minuscule. Ambele sisteme enzimatice au generat forțe în intervalul piconewtonilor în timpul catalizei active, iar efectul a depins de cataliza enzimatică activă, nu doar de prezența ingredientelor reacției.
Echipa a investigat și dacă viteza mai mare de mișcare a transferinei se traduce neapărat în absorbție celulară. Blocând dinamina, o proteină implicată în pasul final al endocitozei mediate de clatrină, când buzunarul membranei se desprinde de suprafața celulară, celulele au continuat să absoarbă transferină prin alte rute independente de dinamina, dar impulsul generat de enzime a dispărut complet. Astfel, sporirea absorbției s-a bazat specific pe calea mediată de clatrină.
O întrebare ridicată de echipă a fost de ce, dacă transferina se mișca cu aproximativ 50% mai repede, absorbția a crescut doar cu circa 17%. Pentru a explica decalajul, cercetătorii au construit un model computațional simplu al legării transferinei de receptor și al introducerii în celulă. Au observat că, deoarece celula are un număr limitat de receptori pentru transferină, încărcătura care se mișcă mai repede ocupă receptorii mai devreme, însă odată ce toți receptorii sunt ocupați, viteza suplimentară nu mai are unde să se manifeste, iar câștigul se plafonează. Același plafon a fost observat când cantitatea de transferină disponibilă a fost crescută.
Rezultatele studiului pot fi relevante pentru eforturile viitoare de control al transportului molecular, inclusiv pentru livrarea de încărcături terapeutice prin bariere biologice, deși aplicațiile terapeutice rămân să fie testate. Dr. Dey a precizat că lucrarea de față stabilește efectul într-un sistem celular controlat, iar aplicațiile terapeutice urmează a fi demonstrate.
