Новая техника позволяет наблюдать химические реакции в отдельной живой клетке с беспрецедентным разрешением

Биоинженеры из Калифорнийского университета в Беркли разработали технику, которая впервые позволяет детектировать динамические реакции биомолекул в отдельной живой клетке.

Используя характерные частоты, на которых органические и неорганические молекулы поглощают свет, команда исследователей под руководством профессора Люка Ли может в реальном времени определять, активированы ли специфические ферменты или экспрессируются ли определённые гены, и всё это с беспрецедентным разрешением внутри одной живой клетки.

Техника, описанная в выпуске журнала Nature Methods от 18 ноября, может открыть новую эру в молекулярной визуализации с перспективами для клеточного скрининга лекарств и биомедицинской диагностики.

Исследователи отмечают, что другие методы, такие как ЯМР (NMR), в лучшем случае дают информацию о кластере клеток. Но для определения самых ранних признаков развития болезни или пролиферации стволовых клеток необходимо углубиться до молекулярной динамики внутри отдельной клетки.

Для изучения биохимических процессов клетки учёные обычно разрезают её внешнюю мембрану, чтобы разделить и проанализировать клеточные компоненты. Этот метод никогда не может дать представления в реальном времени о том, как компоненты функционируют вместе, поскольку клетка погибает в процессе экстракции.

Суть метода:

• Исследователи решили проблему, усовершенствовав обычную оптическую абсорбционную спектроскопию.
• Они связали биомолекулы (в данном исследовании — белок цитохром c) с крошечными частицами золота размером 20–30 нм.
• Электроны на поверхности металлических частиц (золота или серебра) осциллируют на определённых частотах в ответ на свет — это явление известно как плазмонный резонанс.
• Резонансные частоты наночастиц золота (530–580 нм) легче детектировать, чем слабые оптические сигналы цитохрома c (~550 нм).
• Когда пик поглощения биомолекулы перекрывается с частотой плазмонного резонанса золотой частицы, происходит обмен энергией, который проявляется в виде «гашения» (quenching) характерного пика поглощения золотой частицы.

Ключевое преимущество:

• Для создания этих «провалов» гашения требуется относительно низкая концентрация молекулы — сотни или даже десятки молекул вместо миллионов.
• Это позволяет получать химическую информацию о молекулах, пока они находятся в живой клетке, не убивая её.

Исследователи повторили эксперимент, сопоставив белок гемоглобин с наночастицами серебра, и получили аналогичные результаты.

Техника открывает возможности для понимания дифференциации стволовых клеток, молекулярной диагностики заболеваний и развития персонализированной медицины.