Новый метод наблюдения за активностью внутри живой клетки

Живые клетки постоянно подвергаются воздействию множества молекулярных сигналов, влияющих на их поведение. Измерение этих сигналов и реакции клеток через сети молекулярных сигнальных путей может многое рассказать о работе клеток, включая процессы старения и заболевания.

Сейчас такое комплексное изучение невозможно, так как современные методы визуализации клеток позволяют одновременно наблюдать лишь за несколькими типами молекул. Однако исследователи из MIT разработали альтернативный метод, который позволяет наблюдать до семи различных молекул одновременно, а потенциально — и больше.

Флуоресцентные сигналы

Обычный световой микроскоп может различить только два или три цвета флуоресцентных белков (например, GFP — green fluorescent protein). Новая методика использует «переключаемые флуорофоры» — флуоресцентные белки, которые включаются и выключаются с определенной скоростью.

Для этого исследования группа идентифицировала четыре зеленых переключаемых флуорофора и создала еще два, все с разной скоростью переключения. Также были идентифицированы два красных флуоресцентных белка с разными скоростями и создан один дополнительный красный флуорофор.

Каждый из этих флуорофоров можно использовать для маркировки разных типов молекул в живой клетке (ферментов, сигнальных белков, элементов цитоскелета). После съемки клетки в течение нескольких минут, часов или даже дней исследователи с помощью вычислительного алгоритма выделяют специфический сигнал от каждого флуорофора.

Математический метод, используемый для анализа сигналов, известен как linear unmixing. После анализа можно увидеть, когда и где в клетке находилась каждая из меченых молекул в течение всего периода наблюдения. Для самой визуализации требуется только простой световой микроскоп.

Демонстрация метода и перспективы

В исследовании метод был продемонстрирован на примере шести различных молекул, участвующих в клеточном цикле млекопитающих. Это позволило выявить закономерности в изменении уровней ферментов циклин-зависимых киназ по мере прогрессирования клетки через цикл деления.

Метод также применим для маркировки других киназ, клеточных структур и органелл (цитоскелет, митохондрии). Помимо экспериментов на клетках млекопитающих in vitro, метод успешно сработал в мозге личинок рыб данио-рерио.

Эта техника может быть использована для наблюдения за тем, как клетки реагируют на любые внешние воздействия: питательные вещества, факторы иммунной системы, гормоны или нейротрансмиттеры. Она также применима для изучения реакции клеток на изменения экспрессии генов или генетические мутации. Все эти факторы играют важную роль в таких биологических явлениях, как рост, старение, рак, нейродегенерация и формирование памяти.

Лаборатория также работает над расширением арсенала переключаемых флуорофоров, чтобы можно было изучать еще больше сигналов внутри клетки, и над адаптацией системы для использования на моделях мышей.