Как работает клетка мозга: погружение во внутреннюю сеть

Профессор биологии Университета Майами Акира Чиба возглавляет междисциплинарную группу, работающую над первым систематическим исследованием взаимодействий белков внутри клеток мозга. Цель команды — реконструировать полногеномные сети белковых взаимодействий in situ (isPIN) в нейронах многоклеточного организма. Предварительные данные были представлены на ежегодном собрании Американского общества клеточной биологии с 3 по 7 декабря 2011 года в Денвере, Колорадо.

«Эта работа приближает нас к пониманию механики молекул, которые поддерживают наше функционирование, — говорит Чиба, руководитель проекта. — Знание того, как работают наши клетки, улучшит медицину. Самое главное, мы лучше поймём, что такое жизнь на молекулярном уровне».

Нейроны — это клетки, в основном ответственные за передачу сигналов в мозге. Как и все другие клетки, каждый нейрон производит миллионы отдельных белков, которые связываются друг с другом и образуют сложную коммуникационную сеть. До недавнего времени наблюдать эти белок-белковые взаимодействия было невозможно из-за технических трудностей. Отдельные белки малы и обычно имеют диаметр менее 10 нм (нанометров). Однако это наноразмерное расстояние считалось недоступным даже для микроскопии сверхвысокого разрешения.

Теперь Чиба и его коллеги разработали новую методологию для изучения взаимодействия отдельных белков у плодовой мушки (Drosophila melanogaster) — модельного организма, выбранного для этого проекта. Исследователи создают генетически модифицированных насекомых, способных экспрессировать более 500 различных белков, помеченных флуоресцентными метками, по два за раз. Флуоресцентные метки позволяют визуализировать точное место, где данная пара белков связывается друг с другом.

Команда использует специально созданную 3D FLIM-систему (микроскопию на основе измерения времени жизни флуоресценции), чтобы количественно оценить это событие связывания внутри клеток живого организма. FLIM показывает местоположение и время такого белкового взаимодействия, предоставляя данные для создания поточечной карты белок-белковых взаимодействий.

Пилотная фаза этого междисциплинарного проекта финансируется Национальными институтами здравоохранения (NIH). В работе используются передовая генетика, технологии молекулярной визуализации и высокопроизводительные вычисления, среди других областей. «Совмещая флуоресцентную химию, лазерную оптику и искусственный интеллект, моя команда работает в "джунглях" молекул жизни внутри живых клеток, — говорит Чиба. — Это новая экология, разыгрывающаяся в масштабе нанометров, создающая чувство дежавю спустя 80 лет после рождения современной экологии».

В настоящее время исследователям всё ещё необходимо экстраполировать данные, полученные в пробирках. В будущем они начнут напрямую визуализировать, как отдельные белки взаимодействуют друг с другом в своей «родной среде» — клетках нашего тела.