Solut, joista me muodostumme – samoin kuin kaikki eläimet ja kasvit koostuvat – ovat paitsi biologiaa ja kemiaa, niin myös mekaniikkaa: soluilla on kiinteä rakenne, ja tuoreen tutkimuksen mukaan se on olennaisesti aiemmin oletettua monimutkaisempaa.

Tampereen yliopiston BioMediTechissä toimivan Suomen Akatemian tutkijatohtori Teemu Ihalaisen yhdessä kansainvälisen tutkijaryhmän kanssa saamat yllättävät tulokset on julkaistu tällä viikolla Nature Materialsin verkkojulkaisussa.

Tutkimuksessa havaittiin ensimmäistä kertaa, että solutumaan välittyvä solun tukirangan jännitys muuttaa tuman sisäpinnan rakenteita. Nämä samat rakenteet sitovat geneettistä materiaalia, kromatiinia ja siten mekaanisella signaalilla on suoraan mahdollisuus vaikuttaa kromatiinin rakenteeseen ja geenien luentaan.

”Vertauskuvallisesti voidaan ajatella, että jos solu on teltta ja telttaa pystyssä pitävät narut ovat solun tukirankaa, niin projektissa tekemäämme havaintoa mukaillen naruista nykiminen muuttaisi teltan keskelle asetetun repun tavaroiden järjestystä", selittää Ihalainen. 

"Havaitsimme myös, että tuman sisäpinta on jakautunut kahteen osaan, ala- ja yläpintaan, jotka ovat rakenteellisesti erilaisia."

Projekti oli alusta saakka hyvin poikkitieteellinen ja siinä yhdistyi solu- ja molekyylibiologia sekä biomateriaalien tutkimus. Erilaisten biomateriaalien avulla manipuloitiin solujen mekaniikkaa, niiden jännitystä tai geometriaa. Kokeissa käytettiin hyväksi erilaisia pehmeitä solujen kasvatusalustoja (hydrogeelejä) tai esimerkiksi erilaisia ”mikrosaarekkeita”, joiden avulla soluja voitiin ohjata kasvamaan eri muotoihin. Soluja manipuloitiin mekaanisesti myös pehmeillä geelityynyillä. Kaikki menetelmät yhdistettiin korkean erotuskyvyn konfokaalimikroskopiaan, jonka avulla saatiin tarkkaa tietoa solujen rakenteista ja tuman toiminnasta.

Tähän asti on ajateltu, että solut aistivat niihin kohdistuvia voimia pääasiassa solukalvon läheisyydessä, pisteissä joissa solu kiinnittyy ympäristöönsä.

”Projektissa halusimme tutkia, miten syvällä solun sisällä voiman aistimus voi tapahtua. Tästä syystä keskityimme solun tuman toimintaan ja sen muutoksiin erilaisissa olosuhteissa. Solun tuma pitää sisällään solun geneettisen materiaalin ja lähivuosina on selvinnyt, että tuma on kiinnittynyt solun tukirankaan. Tämä kiinnittyminen mahdollistaa suoran mekaanisen jännityksen välittymisen solun pinnasta aina tumaan saakka. Jos mekaaninen voima pystyisi muuttamaan tuman rakenteita, se voisi vaikuttaa myös geenien luentaan ja sitä kautta solun toimintaan.”

Solut pystyvät kehittämään monimutkaisen solutukirankansa avulla mekaanisia voimia. Tämä soluissa syntynyt mekaaninen jännitys voi välittyä suoraan soluista soluihin tai epäsuorasti solujen välillä soluväliaineen kautta. Näiden lisäksi soluihin kohdistuu muita voimia kuten leikkausvoimia ja osmoottisista ilmiöistä muodostuvaa painetta.

Nykyisin tiedetään, että solut pystyvät aistimaan niihin kohdistuvia mekaanisia voimia sekä ympäristönsä fysikaalisia ominaisuuksia kuten jäykkyyttä ja elastisuutta. Nämä ”mekaaniset signaalit” vaikuttavat solujen toimintaan, kuten kantasolujen erilaistumiseen, alkion kehitykseen ja syövän syntyyn.

”Tällä hetkellä emme kuitenkaan ymmärrä tämän niin kutsutun mekanotransduktion yksityiskohtia, esimerkiksi sitä, millä mekanismilla mekaaninen voima voi vaikuttaa vaikkapa geenien luentaan. Prosessin yksityiskohtainen ymmärtäminen on laaja-alaisesti tärkeää ja helpottaisi huomattavasti esimerkiksi biomateriaalien kehittämistä sekä niiden soveltamista mm. kantasoluteknologiassa”, selittää Ihalainen.

Juttu perustuu Suomen Akatemian lähettämään tiedotteeseen.