Взвешивание клетки: Впервые измерено, как одиночные клетки накапливают массу

Исследователи из MIT и Гарварда с помощью сенсора, взвешивающего клетки с беспрецедентной точностью, измерили скорость, с которой одиночные клетки накапливают массу. Это достижение может пролить свет на то, как клетки контролируют свой рост и почему этот контроль нарушается в раковых клетках.

Команда под руководством Скотта Маналиса, адъюнкт-профессора биологической инженерии MIT, обнаружила, что скорость роста отдельных клеток сильно варьируется, а также нашла свидетельства того, что клетки растут экспоненциально (то есть быстрее по мере увеличения размера).

Новая измерительная система, описанная в выпуске журнала Nature Methods от 11 апреля, — первая методика, позволяющая измерять массу клеток по мере их роста в течение времени (в данном случае от 5 до 30 минут). Предыдущие методы измерения скорости роста клеток были сосредоточены на измерениях объема или длины и не обладали необходимой точностью для выявления моделей роста одиночных клеток.

Контролируемый рост

Долгое время в исследованиях роста клеток оставался открытым вопрос: является ли рост линейным или экспоненциальным. Предыдущие исследования давали противоречивые данные.

Исследователи изучили четыре типа клеток: два штамма бактерий (E. coli и B. subtilis), штамм дрожжей и лимфобласты млекопитающих (предшественники белых кровяных телец). Они показали, что клетки B. subtilis, по-видимому, растут экспоненциально, но не получили убедительных доказательств для E. coli. Это связано с огромной вариацией в скорости роста отдельных клеток E. coli, даже для клеток схожей массы.

Если клетки действительно растут экспоненциально, должен существовать некий механизм контроля этого роста. Иначе, когда клетки делятся на две дочерние клетки немного разного размера, более крупная клетка в каждом поколении всегда росла бы быстрее меньшей, что приводило бы к неоднородности размеров. Однако клетки, как правило, выравниваются в размерах благодаря механизму, который биологи пока не понимают.

Технология измерения

Сенсор массы клеток, впервые продемонстрированный Маналисом в 2007 году, состоит из заполненного жидкостью микрофлюидного канала, вытравленного на крошечной кремниевой пластине, которая вибрирует в вакууме. Когда клетки по одной протекают через канал, их масса слегка изменяет частоту вибрации пластины. Массу клетки можно рассчитать по этому изменению частоты с разрешением до фемтограмма (10^-15 грамма), что составляет менее 0,01% от веса лимфобласта в растворе.

Был разработан способ улавливания клетки внутри микрофлюидного канала путем точной координации направления потока. Это позволяет исследователям многократно пропускать одну и ту же клетку через канал каждую секунду, измеряя её каждый раз.

Новая система представляет собой значительный прогресс по сравнению с любыми существующими методами измерения клеток, поскольку она напрямую измеряет биомассу, фактически помещая одиночную клетку на весы.

Дальнейшие исследования

В текущих исследованиях команда Маналиса маркирует белки внутри клетки флуоресцентными молекулами, чтобы определить стадию клеточного цикла. Это позволит соотнести размер клетки с её позицией в цикле и в итоге получить модель роста для дрожжевых и животных клеток. Также ведется работа над возможностью добавления в жидкость микрофлюидного канала химических веществ, таких как питательные вещества, антибиотики и противораковые препараты, чтобы изучать их влияние на скорость роста.