Освещение молекулярного балета в живых клетках с помощью сверхбыстрой камеры
Исследователи из Киотского университета, Аспирантского университета Института науки и технологий Окинавы (OIST) и компании Photron Limited (Япония) разработали самую быструю в мире камеру, способную детектировать флуоресценцию одиночных молекул. Технологию и примеры её возможностей они описывают в двух статьях, опубликованных в одном выпуске Journal of Cell Biology.
Работа с этой камерой поможет учёным понять, как распространяется рак, и разработать новые лекарства для его лечения.
Технология съёмки молекулярного «балета»
Метод визуализации одиночных флуоресцентных молекул (SFMI) использует флуоресцентную молекулу в качестве репортёрной метки, которая связывается с целевыми молекулами в клетке и показывает их местоположение, движение и взаимодействие. Новая сверхбыстрая камера обеспечивает самое высокое на сегодняшний день временное разрешение для SFMI. Она может детектировать движение одиночных молекул, которое происходит в 1000 раз быстрее стандартной частоты кадров видео.
Конкретные возможности:
- Детекция молекулы с флуоресцентной меткой каждые 33 микросекунды с точностью определения позиции 34 нанометра.
- Или каждые 100 микросекунд с точностью 20 нанометров.
Предыдущие методы SFMI были похожи на просмотр балета по одному кадру раз в 30 секунд, что заставляло строить догадки о происходящем. Новая технология позволяет наблюдать «танец» отдельных молекул в реальном времени.
Прорыв в скорости для сверхразрешающей микроскопии
Камера также кардинально улучшила временное разрешение предыдущего метода сверхвысокого пространственного разрешения, отмеченного Нобелевской премией по химии в 2014 году. В том методе позиции отдельных молекул регистрируются как точки размером около 20 нм, формируя изображение в стиле пуантилизма.
Однако проблема «микроскопического пуантилизма» заключалась в крайне медленном формировании изображения — часто требовалось более 10 минут на один кадр, что вынуждало работать с мёртвыми, химически фиксированными клетками. Новая камера формирует изображение за 10 секунд (в 60 раз быстрее), что позволяет наблюдать живые клетки.
Применение в исследовании рака
Команда продемонстрировала возможности камеры, изучив локализацию и движение:
- Рецепторного белка, связанного с онкологическими заболеваниями.
- Клеточной структуры фокальной адгезии.
Фокальная адгезия — это комплекс белковых молекул, который связывает пучки структурных белков внутри клетки с внеклеточным матриксом снаружи. Она играет ключевую роль в механическом взаимодействии клетки с окружением, позволяя, в частности, раковым клеткам двигаться и метастазировать.
Ключевые результаты:
- Обнаружено, что активированный рецептор, способствующий развитию рака, дольше задерживается в определённом клеточном компартменте.
- Выявлены ультратонкие структуры и молекулярные движения внутри фокальной адгезии, участвующие в активности раковых клеток.
Это позволило команде предложить уточнённую модель структуры и активности фокальной адгезии.
Разработка камеры, выполненная в коллаборации с компанией-производителем Photron Limited, поможет мировым исследовательским группам, разрабатывающим препараты для воздействия на фокальные адгезии при раке, предоставив более глубокое понимание динамики этих структур.