Ny teknologi för intracellulär biofysik

Diarienummer: FFL09-0031
Start- och slutdatum: 110101-161231
Beviljat belopp: 9 997 759 kr
Förvaltande organisation: Uppsala University
Forskningsområde: Bioteknik, medicinsk teknik och teknik för livsvetenskaperna

Summary

Projektet syftar till att utveckla ny teknologi för att studera intracellulär reaktionskinetik med hög spatial upplösning och temporal precision. Metoderna kommer att användas för att svara på fundamentala frågor om kinetik i levande celler och hur den skiljer sig från provröret. Den intracellulära kinetiken klargörs med hjälp av metoder för att studera enskilda molekyler, vilka gör det möjligt att mäta bindningstider utan att synkronisera en stor population av molekyler. Utmaningarna med att förstå den intracellulära kinetiken kommer att angripas från tre håll: 1. Hur hittar proteinerna sina substrat och bindningsställen i den levande cellen. 2 Hur kan vi mäta reaktionshastigheter in vivo? 3. Hur kan vi integrera kinetiska egenskaper för enskilda molekyler i dynamiska modeller av intracellulär fysiologi? Projekten bygger på våra nya tekniker för att studera enskilda molekyler i levande celler (Science 2007) och våra nyskapande teoretiska metoder för att modellera och analysera intracellulär kinetik (Nature Physics 2009; PLoS CB 2007, Genome Research 2005, Science 2003). Den unika kombination av högupplösta mätningar i enskilda levande celler med framgångsrik metodutveckling för att modellera stokastiska reaktions-diffusions processer har tillämpningar inom bioteknik, biomedicin och systembiologi.

Populärvetenskaplig beskrivning

Hur kan man karaktärisera molekylära processer i levende celler?

Ett övergripande mål för min forskning är att förstå hur biokemiska reaktioner i cellen skiljer sig från provröret. Detta frågeställning rymmer flera olika delfrågor som kräver olika angreppssätt och även utveckling av nya expeirmentalla och teoretiska metoder. Delfråga 1: Hur kan molekylerna hitta rätt? Ett område som vi studerar är hur molekyler inne i cellen kan hitta varande trots diffusionen är mycket begränsad pga de höga koncentrationen av makromolekyler. Vi har särskilt intesserat oss för hur proteiner som ska finna och reglera specifika gener på kromosomerna kan komma rätt tillräckligt fort trods att det finns milliontals nästan identiska bindingsställen. För att undersöka detta har vi byggt ett mikroskop som är så känsligt att vi kan se och följa enskilda molekyler som rör sig i levende celler. Den experimentella tekniken gör det möjligt att testa och förbättra detaljerade fysikaliska modeller för vad som styr moleklyernas rörelse och interaktioner i cellen. Delfråga 2: Hur fort går kemiska reaktioner i cellerna jämfört med i provröret? Ett annat område rör hur fort specifika enzymatiska reaktioner går i cellen jämfört med i provröret. Man kan här särskilt förvänta sig skillnader the för reaktioner som innefattar membran bindning eller komplexa makromolekyler som tex ribosomen. Vi använder oss av optiska metoder för att mäta hur länge enskilda proteinmolekyler binder till sina substrat i levande celler. Eftersom vi studerar enskida molkyler så kan vi karaktärisera bindningsdynamiken utan att synkronisera reaktionerna för många molekyler som man kan göra i ett provrör. Delfråga 3: Hur gör man korrekta fysikaliska modeller av biologiska system baserat på vad man vet om dess delar? Ett tredje forskningsområde innefattar hur man gör fysikaliskt korrekta matematiska modeller för reaktions kinetiken i levande celler. Här måste man ta hänsyn till cellerna ibland innehåller så få molekyler av vissa molekylslag att den slumpmässiga komponenten i kemiska reaktioner behöver tas hänsyn till. I vissa fall behöver man dessutom ta hänsyn till att alla komponterna i en cell inte kan anses välblandade. För att kunna simulera reaktions scheman där vi tar hänsyn till slumpkomponenten samt det rumsliga beroendet utvecklare vi simuleringsalgorithmer och programvara.