Биомолекулярный «умный пластилин»: высокое разрешение визуализации клеточных конденсатов достигнуто с помощью флуорогенной технологии

Биомолекулярные конденсаты — это подвижные скопления в наших клетках, которые организуют клеточное вещество. Это отдельные молекулярные сообщества из ДНК, РНК и белков, которые «конденсируют» молекулы в ключевых местах, но часто их сложно описать. Отчасти потому, что они настолько малы, что их нельзя измерить с помощью традиционных микроскопов.

Эти скопления когда-то описывали как «жидкоподобные», потому что некоторые из них наблюдали сливающимися, капающими и текущими, как капли дождя на лобовом стекле. Однако, хотя они могут выглядеть как капли, вычисления предполагают иное. Молекулярная организация внутри конденсатов больше похожа на сеть, которая перестраивается в разных временных масштабах, что придает конденсатам скорее характер подвижного «умного пластилина».

Проверяя вычислительные прогнозы, лаборатории Рохита Паппу и Мэтью Лью из Центра биомолекулярных конденсатов Университета Вашингтона в Сент-Луисе заглянули внутрь конденсатов с помощью новых методов микроскопии сверхвысокого разрешения.

В исследовании, опубликованном в Nature Physics, они показали, как использовать флуорогены — среды-чувствительные красители, которые светятся только в определённых химических средах — для изучения конденсатов с высоким разрешением, ранее недостижимым. Они использовали эти флуорогены по одному, с помощью уникальных технологий визуализации, разработанных в лаборатории Лью.

Эти достижения в визуализации важны для понимания функций конденсатов и того, как они нарушаются при раковых и нейродегенеративных заболеваниях, связанных с функционально аномальными конденсатами.

Существующие методы полагаются на усреднение поведения всей совокупности молекул внутри конденсатов. В отличие от них, этот новый метод одиночного флуорогена позволяет достичь разрешения на уровне одной и нескольких молекул. Команда использовала флуоресцентные химические зонды, которые светятся только при встрече с правильным типом химической и вязкоупругой среды, служа маяками для областей, которые выглядят как узлы в сетях молекул, удерживаемых вместе «стикерами».

Если представить конденсаты как группу людей, то «стикеры» — это друзья, которые принимают решения о том, где и когда собираться и кого приглашать.

«Благодаря взаимодействиям, закодированным в белковых последовательностях, определённые отдельные белки являются узлами вязкоупругой (пластилиноподобной) сетевой структуры внутри конденсата. Наши флуорогенные сенсоры не засветятся, пока не найдут эти узлы. Отслеживание движений отдельных флуорогенов позволило нам находить и отслеживать узлы по мере их формирования, движения и распада», — пояснил Мэтью Лью.

Рохит Паппу сравнил микроскопию с отправкой одного муравья для картирования тёмного дома. Муравей проведёт больше времени в местах, где оставлен сахар, и его карта будет ярче всего светиться вокруг этого сахара.

Использование одного «муравья» (флуорогена) позволяет избежать сбора конфликтующих сигналов о местности, которые возникают при наблюдении за многими муравьями одновременно — как в существующих методах.

С помощью этого сильного одиночного сигнала и микроскопа сверхвысокого разрешения учёные теперь могут детектировать отдельные молекулы и отслеживать их движения с разрешением, превосходящим дифракционный предел.

«Флуорогены плавают внутри конденсата и помогают нам впервые картировать его внутреннюю организацию. Это стало возможным благодаря инновациям Мэтта Лью и сотрудничеству в рамках нашего уникального центра», — сказал Паппу.