Новый метод визуализации клеток, который может помочь разгадать рак

Группа американских ученых из Массачусетского технологического института представила новую технику визуализации, которая обещает произвести революцию в изучении живых клеток. 

Заглядывание внутрь клеток позволило ученым наблюдать за функциями клеточных молекул и анализировать их работу. С тех пор как в 90-х годах прошлого века для визуализации впервые был использован зеленый флуоресцентный белок (GFP), появилось несколько флуоресцентных белков, светящихся другими цветами. 

Однако эти традиционные методы визуализации затруднены из-за их ограниченной способности одновременно захватывать лишь несколько молекул внутри клетки. 

Новое исследование снимает это ограничение, позволяя наблюдать до семи различных молекул одновременно. Это может открыть дверь к более глубокому пониманию клеточных функций, старения и болезней.

Основная идея исследования заключается в использовании зеленых и красных флуоресцентных молекул, которые включаются и выключаются с разной скоростью. Используя вычислительные алгоритмы после визуализации клетки в течение нескольких секунд, минут или часов, ученые смогли извлечь и отследить количество каждого целевого белка, изменяющееся с течением времени.

"В идеале нужно было бы наблюдать за колебаниями сигналов в клетке... и затем понять, как они связаны друг с другом, — объясняет руководитель исследования профессор Бойден. —Проблема в том, что вы не можете наблюдать за многими вещами одновременно".

Новая методика преодолевает это ограничение, позволяя наблюдать симфонию флуоресцентных сигналов внутри одной клетки.

В 2020 году лаборатория Бойдена уже добилась успехов, разработав пространственное мультиплексирование, позволяющее одновременно визуализировать до пяти различных молекул. Однако в нынешнем исследовании использован другой подход - "переключаемые флуорофоры".

Это флуоресцентные белки, которые включаются и выключаются с определенной скоростью. Такая универсальность позволяет наблюдать за несколькими молекулами, не завися от их физического расположения, что открывает путь к более полному пониманию клеточной активности.

Для анализа сигналов от переключаемых флуорофоров ученые использовали математическую технику, известную как линейное несмешивание, подобно тому, как человеческое ухо использует преобразование Фурье для различения различных тонов в музыке.

После анализа ученые могут визуализировать присутствие и расположение каждой флуоресцентно меченой молекулы на протяжении всего периода визуализации, и все это с помощью обычного светового микроскопа.

Чтобы продемонстрировать эффективность своего подхода, команда пометила шесть различных молекул, участвующих в цикле клеточного деления в клетках млекопитающих. Это позволило им выявить закономерности в уровнях ферментов, что дало представление о том, как клетки проходят через клеточный цикл. Универсальность метода была продемонстрирована на примере мечения других клеточных структур и органелл, что позволило расширить его применимость от выращенных в лаборатории клеток млекопитающих до мозга личинок зебрафиш.

Этот новый метод визуализации потенциально может произвести революцию в нашем понимании различных биологических явлений, включая рост, старение, рак, нейродегенерацию и формирование памяти. Ученые смогут изучить поведение клеток, наблюдая за тем, как они реагируют на такие факторы, как питательные вещества, факторы иммунной системы, гормоны или нейротрансмиттеры. Кроме того, этот метод может быть полезен для изучения реакции на изменения экспрессии генов или генетические мутации.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Cell.