Nu kan vi følge livet inde i den enkelte celle

Af Birgitte Svennevig,birs@sdu.dk, 11. marts 2016. 

Hver eneste celle i vores krop er hele tiden fuld af aktivitet. Cellerne er beboet af et mylder af forskellige molekyler, der utrætteligt interagerer med hinanden for at få maskineriet – din krop – til at køre.

I løbet af et minut har næsten alle molekyler i en celle bevæget sig rundt for at udføre forskellige opgaver inde i cellen.

"Der er hektisk aktivitet og masser af trafik inde i en celle. Og det er faktisk en af videnskabens store gåder: Hvordan kan denne uophørlige molekyletransport afvikles med så stor præcision og koordinering?" siger forskerne Achim Schroll og Daniel Wüstner.

Achim Schroll er professor i anvendt matematik ved Institut for Matematik og Datalogi. Daniel Wüstner er lektor og forskningsleder ved Institut for Biokemi og Molekylær Biologi.

De har nu i samarbejde med ph.d. studerende Christian V. Hansen fra Institut for Matematik og Datalogi udviklet en ny model, der gør det muligt at overvåge trafikken inde i en enkelt celle. Deres arbejde er publiceret i tidsskriftet Computing and Visualization in Science.

Selv den mindste forkerte bevægelse kan være fatal

Modellen er et vigtigt værktøj, for det hænder, at molekyle-transporten ikke bliver afviklet korrekt og dermed forårsager sygdom.

"Konsekvenserne kan blive fatale. Mange sygdomme skyldes forstyrrelser i transporten, eller at proteiner klumper sig sammen i cellen. Det gælder f. eks. Alzheimer’s, Parkinson’s og Huntington’s. og derfor er det vigtigt at kunne studere de enkelte molekylers aktiviteter," siger Daniel Wüstner fra Institut for Biokemi og Molekylær Biologi.

Forskerne startede med at studere levende celler i et mikroskop og observere, hvordan faktorer som temperatur og biokemiske reaktioner får cellers molekyler til at bevæge sig. Dette blev ”oversat” til en matematisk model, baseret på differentialligninger.

"Dermed har vi nu en computermodel, der tillader os at køre en simulering af hvad der foregår inde i en levende celle. Vi kender udtrykkene at undersøge noget ”in vivo” og ”in vitro” (i levende live og i reagensglasset) – her undersøger vi tingene ”in silico”; i computeren," forklarer Achim Scholl, Institut for Matematik og Datalogi.

Sådan gjorde forskerne

Molekyler kan bringes til at lyse grønt, så man kan se dem i et mikroskop. Dermed kan man se en grøn masse, når man kigger ind i en celle, der er fuld af grønne molekyler i mikroskopet.

For at få flere detaljer installerede forskere en slags slukke-station inde i cellen. Hver gang et molekyle i bevægelse kom gennem slukke-stationen, blev dets grønne farve slukket. Efterhånden blev der mere og mere mørkt inde i cellen – et tegn på, at flere og flere molekyler havde været forbi slukke-stationen.

Denne trafik blev ”oversat” til en matematisk model, så man nu kan studere molekylernes trafik i en celle og se, hvad der sker, hvis man ændrer på forholdene – f.eks. gør en membran sværere at penetrere, så molekylerne er længere tid om at nå gennem slukke-stationen.

I realtid tager det ca. et minut for størstedelen af molekyler at passere gennem slukke-stationen. Efter ca. 10 minutter har alle været igennem, og der er helt mørkt i cellen. De sidste er langsommere, f.eks. fordi de er stærkere bundet til en bestemt struktur, eller fordi de skal passere en barriere. 

Metoden kaldes c-FLIP (Computational Fluorescence Loss in Photobleaching).

Paper: Computational modeling of fluorescence loss in photobleaching. Christian V. Hansen, Hans J. Schroll, Daniel Wüstner. Computing and Visualization in Science, Volume 17, Issue 4, pp 151-166.