Как взвесить жизнь?

Исследователи ETH разработали весы для измерения клеток. Они впервые позволяют быстро и точно определить вес отдельных живых клеток и любые его изменения. Изобретение вызвало значительный интерес как в биологии, так и за ее пределами.

Новая шкала для клеток с высоким разрешением

Ученые из исследовательской группы биофизики под руководством профессора ETH Даниэля Й. Мюллера в сотрудничестве с коллегами из Базельского университета и Университетского колледжа Лондона разработали новую клеточную шкалу. Она позволяет не только измерить массу живых клеток за очень короткое время, но и отслеживать, как их вес меняется со временем. Это можно делать с разрешением в миллисекунды и триллионные доли грамма.

Клетки, которые обычно весят около двух-трех нанограмм, взвешивают в контролируемых условиях в камере для культивирования клеток. Измерительное плечо — крошечный прозрачный кремниевый кантилевер толщиной с пластину, покрытый коллагеном или фибронектином, — опускают на дно камеры, где оно подталкивает и поднимает клетку. «Клетка висит на нижней стороне крошечного кантилевера для измерений», — говорит аспирант Готтхольд Флешнер, соавтор изобретения.

Наблюдение за весом и активностью клетки одновременно

Микроскопический кантилевер заставляют слегка колебаться с помощью импульсного синего лазера на его закрепленном конце. Второй, инфракрасный лазер измеряет колебания на другом конце, где висит клетка — сначала без нее, а затем с ней. «Массу клетки можно рассчитать по разнице между двумя колебаниями», — объясняет Дэвид Мартинес-Мартин, главный изобретатель клеточных весов.

На экране компьютера изменение веса отображается в виде кривой. Показания можно снимать в течение всего периода измерения — будь то миллисекунды или дни. Поскольку измерительный аппарат, включая культуру клеток, установлен непосредственно на предметном столике высокопроизводительного флуоресцентного микроскопа, внутренние процессы в клетке также можно наблюдать и снимать на видео во время измерений.

Вес живых клеток колеблется

Это позволяет исследователям отслеживать, например, как вес меняется во время клеточного цикла и деления клетки, какое влияние различные вещества оказывают на массу клетки и что происходит, когда она инфицирована вирусом. Мартинес-Мартин и Флешнер провели множество таких экспериментов.

Одно особенно примечательное наблюдение: «Мы установили, что вес живых клеток непрерывно колеблется примерно на 1–4%, поскольку они регулируют свой общий вес», — говорит Мартинес-Мартин. Погрешности измерений исключены: биофизики смогли доказать, что клетки прекращают эти секундные колебания только после гибели. Исследователи явно взволнованы. Флешнер: «Мы видим то, чего еще никто не наблюдал».

Высокий интерес к клеточным весам

Интерес к новому методу измерения высок среди биологов всех направлений. «Масса клетки — очень хороший показатель ее физиологии», — объясняет Мартинес-Мартин. Он также может быть актуален для медицинского и фармацевтического секторов, поскольку может использоваться для исследования патологического роста клеток и влияния лекарств на этот рост.

Более удивительно, что устройством заинтересовались и ученые-материаловеды. «Для них речь идет о функционализации наночастиц — то есть об изменении поверхности очень мелких частиц», — заявляет Мартинес-Мартин.

Ученые впервые представляют свое изобретение широкой научной аудитории в журнале Nature. Новый метод взвешивания запатентован; тем не менее, шансы, что ученые различных дисциплин вскоре смогут сами использовать перспективные новые клеточные весы, высоки. Лицензиат, швейцарская компания Nanosurf AG, уже работает над запуском устройства в производство.