Структура встречается с функцией: гликокаликс впервые проанализирован на молекулярном уровне

Гликокаликс окружает каждую клетку человеческого тела, как пальто. Этот сложный сахарный слой играет ключевую роль в развитии многочисленных заболеваний, таких как рак и аутоиммунные болезни.

Исследователям из Института науки о свете Общества Макса Планка (MPL) впервые удалось визуализировать отдельные сахара в гликокаликсе с молекулярным разрешением и связать их пространственное расположение с биологической функцией. Результаты, недавно опубликованные в журнале Nature Nanotechnology, открывают совершенно новые перспективы для понимания этой важной клеточной структуры — с далеко идущими последствиями для диагностики и терапии.

Гликокаликс — это «привратник» клетки: всё, что приближается к клетке, сначала взаимодействует с ним. В последние годы гликокаликс всё больше становится в фокус биомедицинских исследований, поскольку он влияет на многочисленные процессы, связанные со здоровьем и болезнью. Тем не менее, до сих пор не удавалось связать его пространственную организацию с биологической функцией, потому что это происходит в масштабе всего одного нанометра — размера, который нельзя было увидеть с помощью предыдущих методов.

Теперь учёные из MPL достигли прорыва, используя специальный метод микроскопии в сочетании с особой техникой химического мечения — отдельные молекулы сахара можно было визуализировать в гликокаликсе на поверхности клетки.

Для этого исследователи объединили специальный метод локализационной микроскопии (Resolution Enhancement by Sequential Imaging, RESI) с биоортогональной химией, в которой метаболизм клетки используется для присоединения специфических маркеров к целевым структурам. Исследование проводилось совместно группой Леонхарда Мёкля и исследовательской группой Юнгманна в Институте биохимии Макса Планка в Мартинсриде.

Высокоточное разрешение в диапазоне одного нанометра позволяет учёным не только подсчитывать сахара и понимать их взаимодействия, но и регистрировать их расположение и коммуникацию в естественной среде клетки. Подобно карте, это раскрывает плотность отдельных сахаров в разных местах клетки и то, как это расположение меняется в ходе клеточных событий.

«Этот результат — давняя цель для меня, — говорит профессор Леонхард Мёкль, руководитель исследовательской группы Physical Glycosciences в MPL. — Я размышлял о том, как понять взаимосвязь между гликокаликсом и клетками, ещё во время моей докторской диссертации. Уже тогда я был убеждён, что это может сработать только в том случае, если мы поймём, как гликокаликс организован на молекулярном уровне. То, что мы теперь можем изобразить организацию отдельных сахаров, — это воплощение мечты».

Полученные результаты теперь позволяют делать функциональные выводы о клеточных процессах — например, о том, как генетические мутации во время развития рака изменяют гликокаликс — и открывают новые пути для клинического применения в диагностике и терапии.