Наноустройства показывают, как клетки меняются со временем, отслеживая процессы изнутри

Впервые ученые ввели миниатюрные отслеживающие устройства непосредственно во внутреннюю среду клеток млекопитающих, получив беспрецедентный взгляд на процессы, управляющие началом развития.

Эта работа на одноклеточных эмбрионах может изменить наше понимание механизмов, лежащих в основе клеточного поведения в целом, и в конечном итоге дать представление о том, что идет не так при старении и болезнях.

Исследование под руководством профессора Тони Перри из Университета Бата включало инъекцию кремниевого наноустройства вместе со сперматозоидом в яйцеклетку мыши. В результате получилась здоровая оплодотворенная яйцеклетка, содержащая трекер.

Крошечные устройства немного похожи на пауков, с восемью гибкими «ногами». Ноги с очень высокой точностью измеряют силы «тяги и толкания», действующие внутри клетки, выявляя клеточные силы и показывая, как внутриклеточное вещество перестраивается со временем.

Наноустройства невероятно тонкие — аналогично некоторым структурным компонентам клетки, их толщина составляет 22 нанометра, что примерно в 100 000 раз тоньше монеты в один фунт. Это дает им гибкость, чтобы регистрировать движение цитоплазмы клетки, когда одноклеточный эмбрион начинает свой путь к превращению в двухклеточный.

«Это первый взгляд на физику любой клетки в таком масштабе изнутри», — сказал профессор Перри. «Впервые кто-либо увидел изнутри, как клеточный материал перемещается и самоорганизуется».

Почему важно изучать механическое поведение клетки?

Активность внутри клетки определяет ее функцию. «Поведение внутриклеточного вещества, вероятно, так же влияет на поведение клетки, как и экспрессия генов», — отмечает профессор Перри. Однако до сих пор этот сложный танец клеточного материала оставался в основном не изученным. Ученые могли идентифицировать элементы, из которых состоит клетка, но не то, как ведет себя клеточная среда в целом.

«Теперь мы можем смотреть на клетку как на целое, а не только на ее составные части».

Для исследования были выбраны эмбрионы мыши из-за их относительно большого размера (диаметр 100 микрон против 10 микрон у обычной клетки). Это означало, что внутри каждого эмбриона было место для трекера.

Измерения проводились путем анализа видеозаписей, сделанных через микроскоп во время развития эмбриона. «Иногда устройства сдвигались и скручивались силами, даже большими, чем внутри мышечных клеток, — сказал профессор Перри. — В другое время устройства почти не двигались, показывая, что внутренняя среда клетки успокоилась. В этих процессах не было ничего случайного — с момента появления одноклеточного эмбриона все происходит предсказуемым образом. Физика запрограммирована».

Результаты дополняют формирующуюся картину биологии, предполагающую, что материал внутри живой клетки не статичен, а меняет свои свойства предопределенным образом по мере выполнения клеткой своей функции или реакции на среду. Эта работа может иметь значение для понимания того, как клетки стареют или перестают работать должным образом, что происходит при болезнях.

Исследование опубликовано на этой неделе в Nature Materials и стало результатом междисциплинарного партнерства биологов, материаловедов и физиков из Великобритании, Испании и США.