Image
Cellebiologene og matematikerne beskrev en membran-mekanisme som tidligere var ukjent.

Med klokka f.v.: Eva Maria Wenzel, Camilla Raiborg, Sebastian W. Schultz, Harald Stenmark, Andreas Carlson, Ingrid Kjos, Susanne Liese. Foto: Bjarne Røsjø/UiO

Slik avslørte forskerne ukjent mekanisme i cellenes indre

Matematikerne visste lite om cellebiologi, og biologene strevde med matematikernes modeller. Sammen fant de ut noe helt nytt om cellenes membraner.

Det øverste bildet er generert fra en matematisk modell av en membran som folder seg innover, mens det nederste bildet er et tilsvarende elektronmikroskop-fotografi av en reell membran. Gulfargen i modellen representerer protein-komplekser som trenger seg sammen rundt det stedet som skal bli til en vesikkel. Illustrasjon: UiO.

Biologiske membraner er en forutsetning for alt liv på jorden, og membranene er både mer kompliserte og mer utbredte enn mange aner. Alle cellene i kroppen har for eksempel en ytre membran som blant annet sørger for å transportere næring inn i cellen og kvitte seg med avfallsstoffer. Cellemembranene spiller også en viktig rolle i kommunikasjonen mellom celler, for å nevne noe.

Men det finnes et utall membraner også inne i cellen, og de er like viktige som den ytre membranen.

Forskerne fant en smart mekanisme i cellen

Når de biologiske membranene er så livsviktige, er det naturligvis også viktig å forstå hvordan de fungerer. Derfor begynte en gruppe matematikere og cellebiologer under ledelse av henholdsvis førsteamanuensis Andreas Carlson og professor Harald Stenmark, som også er kreftforsker, å samarbeide for fire år siden.

De ville studere hvordan endosomenes membraner er i stand til å lage små innbuktninger som til slutt avsnøres og blir til fritt bevegelige dråper eller vesikler inne i endosomet.

Vesiklene fungerer som små «pakker» som inneholder næring eller andre stoffer som cellene trenger; eller vil kvitte seg med.

Fakta

De livsviktige membranene

De biologiske membranene skal være halvgjennomtrengelige (semipermeable), det vil si at de slipper igjennom noen stoffer mens andre stoffer blir stengt ute – eller inne. De har altså en helt annen funksjon enn membranene som ligger under flisene på badegulv; som skal være helt tette.

Alle de små organellene inne i cellen, som mitokondriene og endosomene og golgiapparatet, består i stor grad av membraner. Mitokondriene er cellens kraftverk, endosomene frakter stoffer i cellen, og golgiapparatet transporterer nylagede proteiner som kroppen skal bruke. Det formelig kryr av membraner i cytoplasmaet.

– Denne prosessen er helt essensiell for sunne celler, og dersom prosessen ikke fungerer normalt kan det være et tegn på sykdom som kreft. Vi har oppdaget og dokumentert at vesiklene dannes med en veldig “smart” mekanisme i cellen, fordi den ikke krever tilførsel av energi, forteller Andreas Carlson.

De samarbeidende forskerne har også oppdaget flere nye detaljer i celle-mekanismen som forårsaker dannelsen av blærer eller vesikler.

De dokumenterte blant annet at vesikkel-dannelsen begynner med at spesielle protein-komplekser trenger seg sammen rundt det stedet som skal bli til en vesikkel. Det finnes flere varianter av disse endosomale sorteringskompleksene (ESCRT), som de heter på fagspråket.

Forskerne fant i tillegg ut at vesikkel-dannelsen kan fungere helt fint uten det protein-komplekset som tidligere ble antatt å sitte i førersetet. Dette har ingen visst før, og den vitenskapelige artikkelen om mekanismen ble 2. november publisert i det anerkjente tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.

Membranens mekanismer

Utgangspunktet for samarbeidet mellom cellebiologene og matematikerne er slike bilder av en gruppe med celler, tatt med et fluorescensmikroskop. Cellekjernene som inneholder arvematerialet er vist i hvitt, mens de fargede strukturene inne i cellene er små endosomer som alle er omsluttet av hver sin membran. Foto: UiO.

Du skal helst være både cellebiolog og matematiker for å forstå noe særlig av den vitenskapelige artikkelen, men utgangspunktet er at cellene har en opptaksmekanisme som heter clathrin-mediert endocytose (CME). Clathrin er et protein som finnes i cellenes membraner, og endocytose er en mekanisme for opptak av materialer i cellene.

Endocytose går ut på at membranen danner en innbuktning som etter hvert avsnøres og blir til en blære eller en vesikkel, som tas inn i cellen – hvor den blir til et endosom. Endosomer har ulike funksjoner: De kan enten sørge for at molekyler kommer tilbake til celleoverflaten, hvor de blir brukt om igjen (resirkulering), eller de sorterer utslitte proteiner til degradering. Da blir avfallsstoffene pakket inn i en bitteliten vesikkel som ender opp på innsiden av endosomet. Disse oppgavene har til felles at de er avhengige av at membraner bøyer seg.

Professor Harald Stenmark forteller at membran-studiene er svært interessante for kreftforskere, blant annet fordi vesiklene er med på nedreguleringen og degraderingen av cellenes vekstfaktor-reseptorer.

– Disse reseptorene er som antenne-molekyler på cellenes overflate, og de spiller en rolle i cellenes kommunikasjon. Hvis det er for mange slike reseptorer på cellenes overflate, kan det føre til at vekstsignalene blir for sterke – og det kan igjen forårsake tumorer. Vesiklene som er studert i dette prosjektet er med på å regulere antallet reseptorer på cellens utside. Dette skjer ved at reseptorene tas inn i cellens endosomer ved hjelp av endocytose, og destrueres. Hvis dette ikke skjer på normal måte kan det utløse tumorer, forklarer Stenmark.

Tverrfaglighet skapte ny innsikt

Andreas Carlson er ekspert på fluid-dynamikk og har lenge vært interessert i å bruke matematiske metoder til å undersøke biologiske fenomener. Da han kom til UiO i 2015 begynte han å se seg om etter samarbeidspartnere, og kreftforskeren Harald Stenmark var en av de første som svarte. Dette var omtrent samtidig med at ledelsen ved UiO bestemte seg for å satse mer målrettet på konvergens, som går ut på at tverrfaglige forskningsgrupper i fellesskap skal løse problemer som de enkelte fagdisiplinene vanskelig kan løse alene.

– Jeg holdt en presentasjon for Stenmarks forskningsgruppe og argumenterte for at matematikk er viktig i biologien. Etterpå snakket jeg blant annet med Eva Maria Wenzel og Camilla Raiborg. De viste meg noen flotte eksperimenter de hadde utført mens de studerte membraner inne i cellen, og dette førte til at vi skrev en prosjektbeskrivelse som mottok støtte fra Forskningsrådets FRIPRO-program, forteller Carlson.

– Jeg visste ikke om disse membran-prosessene i cellebiologien før vi begynte å jobbe sammen, og jeg har lært mye i løpet av prosjektet! tilføyer han.

– Og vi skjønte fint lite i starten av de likningene Andreas viste oss! repliserer Camilla Raiborg. Hun er seniorforsker i CanCell-gruppen ved UiOs medisinske fakultet

Cellemembraner kan beskrives med likninger

Utsnitt av utsnittet: Det store bildet viser en gruppe med celler. Membranen som omslutter hver celle er markert med en blå linje. Kvadratet nederst til høyre zoomer inn på en gruppe endosomer. Rektangelet markerer en endosom-membran. For å se om membranen bøyer seg, trenger man elektronmikroskopi (se figur øverst i artikkelen). Illustrasjon: UiO.

Men cellebiologene visste jo at matematiske likninger ikke bare er kryptiske tegn på et papir, de kan også brukes til å beskrive grafer eller kurver. Både membranene og vesiklene som dannes under membranenes endocytose og eksocytose har former som kan beskrives med matematiske likninger.

– Vi kunne altså skrive en matematisk likning som representerte membranen, og så undersøkte vi hva som skulle til for å endre formen på likningen slik at det ble en utposning, forteller Andreas Carlson.

– Og så kunne vi gjennomføre eksperimenter på grunnlag av den matematiske modellen, for å sjekke om modellens prediksjoner var korrekte. Det var slik vi fant fram til mekanismen som fører til at membranen bøyer seg, forteller Susanne Liese. Hun er postdoktor i matematikk ved UiO, med en doktorgrad i biofysikk fra Freie Universität Berlin.

Susanne Liese og Eva Maria Wenzel deler førsteforfatterskapet på den vitenskapelige artikkelen, noe som betyr at de er hovedansvarlig for teksten og har gjort mer arbeid enn de andre forfatterne. Susanne fungerte også som en tolk mellom de ulike fagmiljøene, forteller Wenzel.

– Matematikeren Susanne har imponert oss cellebiologene, blant annet fordi hun har lært vårt fagspråk. Jeg har vært sammen med Susanne på rene konferanser for cellebiologer, og der hadde hun ingen problemer med å følge med selv på de mest innviklede tingene. Mens jeg satt og noterte og lagde tegninger, som cellebiologer gjør, satt Susanne og noterte og skrev matematiske likninger, tilføyer Wenzel.

Forskning basert på mikroskopi

Tre av de ni forfatterne bak den vitenskapelige artikkelen i PNAS – Sebastian Schultz, Ingrid Kjos og Andreas Brech – er forskere ved Enheten for cellulær elektronmikroskopi (UCEM) ved UiOs medisinske fakultet og Oslo Universitetssykehus. Optiske mikroskoper basert på synlig lys kan brukes til å studere levende celler og forstørre opp til 1200 til 1500 ganger, mens de mest avanserte elektronmikroskopene kan forstørre så mye at det blir mulig å se enkeltatomer.

– I dette prosjektet har vi kombinert lysmikroskopi med avansert elektronmikroskopi, og resultatet er et veldig godt eksempel på hvordan ulike avanserte teknikker kan kombineres. Jeg vil særlig fremheve vår evne til å lage tredimensjonale rekonstruksjoner (tomogrammer) fra elektronmikroskopiske bilder av områder i cellen, som vi først finner ved hjelp av lysmikroskopi. Dette gir oss unik informasjon fra dette cellulære mikrokosmos. Vi er den eneste gruppen i Norge som har et sett med instrumenter som er optimalisert for dette, forteller UCEMs gruppeleder Andreas Brech.

Camilla Raiborg er helt enig i at det er kombinasjonen av lysmikroskopi på levende celler, elektronmikroskopi på døde celler og matematisk modellering som har ført til en ny forståelse av hvordan membranene fungerer.

– Jeg er også helt enig i det Eva sa, om at Susanne har imponert oss som er cellebiologer. Og så er det jo slik at dette har fungert til en bedre forståelse av membraner og foldingsprosesser generelt, ikke bare de membranene vi har studert, oppsummerer Raiborg.

Kontaktpersoner:

Postdoktor Susanne Liese, Matematisk institutt
Forsker Eva Maria Wenzel, Senter for kreftcelle-reprogrammering ved UiOs medisinske fakultet
Førsteamanuensis Andreas Carlson, Matematisk institutt
Professor Harald Stenmark, Institutt for klinisk medisin
Prosjektleder Andreas Brech, Senter for kreftcelle-reprogrammering ved UiOs medisinske fakultet

Vitenskapelige artikler:

Susanne Liese, Eva Maria Wenzel, Ingrid Kjos, Rossana V. Rojas Molina, Sebastian W. Schultz, Andreas Brech, Harald Stenmark, Camilla Raiborg and Andreas Carlson: Protein Crowding Mediates Membrane Remodeling in Upstream ESCRT-induced Formation of Intraluminal Vesicles. PNAS, November 2 2020.

Eva Maria Wenzel, Sebastian Wolfgang Schultz, Kay Oliver Schink, Nina Marie Pedersen, Viola Nähse, Andreas Carlson, Andreas Brech, Harald Stenmark & Camilla Raiborg: Concerted ESCRT and clathrin recruitment waves define the timing and morphology of intraluminal vesicle formation. Nature Communications, 26 Juli 2018.


Mer informasjon:

FRIPRO-prosjektet Mechanochemical interplay in intraluminal vesicle formation

Konvergensmiljøet Programmable Cell-like Compartments

Les mer på Titan.uio.no:

Bruker datasimulering for å finne den beste kreftbehandlingen

Undersøker om kreft kan kobles til cellenes «gjenbruksstasjon»

Ny type materialer har overflate med justerbare egenskaper

3D-printing forklarer hvordan «helikopterfrø» flyr

Beirut: En av de største konvensjonelle eksplosjonene gjennom tidene

Kan 3D-printede «helikopterfrø» fly lenger enn de naturlige?