Открытый «секундомер» для отслеживания взаимодействий молекул внутри живых клеток

Исследовательская группа под руководством Джузеппе Вичидомини из Итальянского института технологий (IIT) разработала открытую платформу BrightEyes-TTM — своего рода «секундомер» для изучения процессов внутри живых клеток в масштабе тысячных долей миллисекунды.

BrightEyes-TTM — это первая инструментальная система для исследования поведения молекул в живых клетках во времени. Её можно применять для изучения изменений, происходящих при превращении здоровой клетки в больную. Технология описана в журнале Nature Communications и, в соответствии с принципами «открытой науки», может быть воспроизведена другими исследователями или технологическими энтузиастами.

Визуализация и изучение движения молекул внутри клеток сложны из-за их микроскопических размеров. Использования только оптического микроскопа недостаточно, если нет технологии, способной отличить конкретную молекулу от тысяч других.

Команда IIT использует принцип флуоресценции — свойства определённых молекул светиться при попадании на них света. Специальный сенсор, способный регистрировать свет на уровне отдельных фотонов, записывает световые сигналы, испускаемые молекулами, предоставляя информацию об их положении и количестве внутри клеток.

Этот сенсор, называемый «SPAD array detector», позволяет получать изображения с бо́льшей детализацией и контрастом. Он фиксирует моменты включения и выключения флуоресцентных молекул при освещении. Исследователи сосредоточились на времени между поглощением света и испусканием флуоресценции — так называемом времени жизни (lifetime). Этот параметр может дать дополнительную информацию, например, о структуре и микроокружении молекул. Комбинирование изображений с данными о времени жизни даёт всестороннее представление о функции молекул внутри клеток.

Время жизни представлено очень короткими промежутками — менее тысячной доли миллисекунды. Новая платформа BrightEyes-TTM способна регистрировать момент испускания и захвата световой частицы сенсором, действуя как секундомер для молекулярных взаимодействий внутри клеток.

В разработке BrightEyes-TTM участвовала междисциплинарная команда инженеров, физиков и биологов при поддержке Европейского исследовательского совета, Фонда Сан-Паоло и программы Европейского союза Horizon 2020.

Исследователи IIT уже применяют платформу BrightEyes-TTM в рамках «RNA initiative» — внутренней инициативы института, посвящённой РНК и объединяющей лаборатории и учёных с разным опытом. Изучение времени жизни белков и РНК, вовлечённых в нейродегенеративные заболевания, позволит прояснить, как эти два класса молекул взаимодействуют друг с другом до и после патологических процессов, ведущих к гибели нейронов.

Будучи открытой системой, BrightEyes-TTM представляет собой недорогой метод исследования динамических процессов молекул. Теперь она доступна международному научному сообществу для использования или адаптации под различные сенсоры. Исследователи IIT убеждены, что открытый доступ к платформе также откроет путь к небиологическим применениям, таким как квантовая микроскопия.