Химики делают видимыми клеточные силы на молекулярном уровне

Ученые разработали новую технику, используя инструменты, сделанные из люминесцентной ДНК, светящейся, как светлячки, для визуализации механических сил клеток на молекулярном уровне. Nature Methods опубликовала работу под руководством химиков из Университета Эмори, которые продемонстрировали свою технику на тромбоцитах крови человека в лабораторных экспериментах.

«Обычно оптический микроскоп не может создавать изображения, которые разрешают объекты меньше, чем длина световой волны, которая составляет около 500 нанометров, — говорит Халид Салаита, профессор химии Эмори и старший автор исследования. «Мы нашли способ использовать последние достижения в области оптических изображений вместе с нашими датчиками молекулярной ДНК для улавливания сил на 25 нанометрах. Это разрешение похоже на то, как если бы мы находились на Луне и наблюдали рябь, вызванную падением капель дождя на поверхность озера на Земле. . «

Почти каждый биологический процесс включает в себя механический компонент, от деления клеток до свертывания крови и установления иммунного ответа. «Понимание того, как клетки применяют силы и чувственные силы, может помочь в разработке новых методов лечения многих различных заболеваний», — говорит Салаита, чья лаборатория является лидером в разработке способов изображения и отображения биомеханических сил.

Первые авторы статьи, Джошуа Брокман и Ханкуань Су, работали в качестве аспирантов Эмори в лаборатории Салаиты. Оба недавно получили докторские степени.

Исследователи превратили нити синтетической ДНК в зонды молекулярного натяжения, содержащие скрытые карманы. Зонды прикреплены к рецепторам на поверхности клетки. Свободно плавающие фрагменты ДНК, помеченные флуоресценцией, служат в качестве формирователей изображений. По мере того как незакрепленные фрагменты ДНК кружатся, они создают полосы света на видео с микроскопа.

Когда клетка прикладывает силу к определенному рецептору, прикрепленные зонды вытягиваются, заставляя их скрытые карманы открываться и высвобождать усики ДНК, которые хранятся внутри. Свободно плавающие части ДНК созданы для стыковки с этими усиками ДНК. Когда флуоресцентные части ДНК состыковываются, они ненадолго демобилизуются, показывая неподвижные точки света на видео с микроскопа.

Процесс снимается на несколько часов на видео под микроскопом, а затем ускоряется, чтобы показать, как точки света меняются с течением времени, обеспечивая представление о механических силах клетки на молекулярном уровне.

Для описания этого процесса исследователи используют аналогию со светлячками.

«Представьте, что вы находитесь в поле в безлунную ночь, и есть дерево, которое вы не видите, потому что оно темное, — говорит Брокман, который окончил факультет биомедицинской инженерии Уоллеса Х. Култера, совместную программу Технологический институт Джорджии и Эмори, а сейчас работает докторантом в Гарварде. «По какой-то причине светлячкам очень нравится это дерево. Когда они приземляются на все ветви и вдоль ствола дерева, вы можете медленно создавать изображение контура дерева. И если бы вы были действительно терпеливы, вы могли бы даже обнаруживать развевающиеся на ветру ветви дерева, записывая, как светлячки со временем меняют свои места приземления ».

«Чрезвычайно сложно изобразить силы живой клетки в высоком разрешении», — говорит Су, который окончил химический факультет Эмори и сейчас работает докторантом в лаборатории Салаиты. «Большим преимуществом нашей техники является то, что она не мешает нормальному поведению или здоровью клетки».

Еще одно преимущество, добавляет он, заключается в том, что основания ДНК A, G, T и C, которые естественным образом связываются друг с другом определенным образом, могут быть сконструированы в системе зондирования и визуализации для контроля специфичности и одновременного сопоставления нескольких сил. внутри клетки.

«В конечном итоге мы сможем связать различные механические действия клетки с конкретными белками или другими частями клеточного аппарата», — говорит Брокман. «Это может позволить нам определить, как изменить клетку, чтобы изменить и контролировать ее силы».

Используя эту технику для изображения и картирования механических сил тромбоцитов, клеток, которые контролируют свертывание крови в месте раны, исследователи обнаружили, что тромбоциты имеют концентрированное ядро ​​механического напряжения и тонкий ободок, который непрерывно сжимается. «Раньше мы не могли видеть этот узор, но теперь у нас есть его четкое изображение», — говорит Салаита. «Как эти механические силы контролируют тромбоз и коагуляцию? Мы хотели бы изучить их больше, чтобы увидеть, могут ли они служить способом прогнозирования нарушения свертывания крови».

Точно так же, как телескопы все большей мощности позволяют нам открывать планеты, звезды и силы Вселенной, микроскопия более высокой мощности позволяет нам делать открытия о нашей собственной биологии.

«Я надеюсь, что этот новый метод приведет к лучшим способам визуализации не только активности отдельных клеток в лабораторной посуде, но и для изучения межклеточных взаимодействий в реальных физиологических условиях», — говорит Су. «Это похоже на открытие новой двери в неизведанное царство — силы внутри нас».

Соавторами исследования являются исследователи из Детского здравоохранения Атланты, Университета Людвига Максимилиана в Мюнхене, Института Макса Планка и Университета Алабамы в Бирмингеме. Работа финансировалась за счет грантов Национальных институтов здравоохранения, Национального научного фонда, Фонда Найто и Мемориального фонда Уэхара.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены компанией Emory Health Sciences . Оригинал написан Кэрол Кларк. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Джошуа М. Брокман, Ханкуан Су, Аарон Т. Бланшар, Юсинь Дуан, Трэвис Мейер, М. Эдвард Квач, Роксана Глейзер, Алисина Базрафшан, Рэйчел Л. Бендер, Анна В. Келлнер, Хироаки Огасавара, Ронг Ма, Флориан Шуэдер, Брайан Г. Петрич, Ральф Юнгманн, Ренхао Ли, Алекса Л. Маттейсес, Йонгган Кэ, Халид Салаита. Живые клетки с суперразрешением PAINT визуализации сил тяги пиконьютонных клеток . Природные методы , 2020; DOI: 10.1038 / s41592-020-0929-2