Что общего между балетом и клеточной биологией? Возможно, больше, чем вы думаете.
Каждая клетка вашего тела окружена клеточной мембраной, двойным липидным слоем, который отделяет содержимое клетки от ее окружения. Находясь внутри самой клеточной мембраны, молекулы движутся, как артисты балета на сцене.
По словам профессора Акихиро Кусуми, руководителя отдела мембранной кооперации Окинавского института науки и технологий (OIST), «белки в клеточной мембране совершают изящно скоординированные танцы для передачи сообщений между клеткой и и его окружение."
Чтобы понять, как эти белки перемещаются внутри мембраны и как они взаимодействуют друг с другом, профессор Кусуми и другие исследователи разработали метод визуализации живых клеток, называемый визуализацией одной флуоресцентной молекулы живой клетки (SFMI). В SFMI каждый белок-«танцор» в мембране индивидуально помечен флуоресцентными маркерами, чтобы сделать их видимыми под специальными самодельными флуоресцентными микроскопами.
Однако SFMI может быть проблематичным: - со временем под микроскопом флуоресцентные маркеры теряют свое свечение - процесс, известный как «фотообесцвечивание». Из-за этого до сих пор клеточные биологи не могли наблюдать за отдельными молекулами дольше десяти секунд за раз. «Это было похоже на случайный выбор нескольких 10-секундных клипов и попытку соединить их в правильном порядке для создания фильма продолжительностью 5 минут», - говорит г-н Така-аки Цунояма, исследователь из отдела мембранной кооперации в OIST.
В статье, недавно опубликованной в журнале Nature Chemical Biology, Цунояма, Кусуми и их коллеги сообщили, что они придумали вариант SFMI, который подавляет фотообесцвечивание. Их метод заключается в включении в образец уникальной комбинации химических веществ и молекулярного кислорода.
Предыдущие методы, используемые для предотвращения фотообесцвечивания, были не очень эффективны, и, кроме того, они обычно были токсичны для живых клеток, как и полное удаление молекулярного кислорода. Однако исследователи OIST поместили клетки в среду с низкой концентрацией кислорода, которая имитирует реальные условия внутри живого организма, и добавили два мягких химических вещества, называемых «тролокс» и «тролоксхинон». Эта комбинация была удивительно эффективна в уменьшении фотообесцвечивания, не влияя на жизнеспособность клеток.
Этот новый подход позволяет исследователям наблюдать за отдельными молекулами в живых клетках до 400 секунд. «Наш метод сокращает время наблюдения за флуоресцентными молекулами в сорок раз», - говорит профессор Кусуми.
Благодаря увеличенному временному окну наблюдения исследователи смогли гораздо более прямо и ясно изучить, как молекулы работают в клетке. Они изучили определенные области мембраны, известные как фокальные спайки. «По сути, это ноги клетки», - говорит профессор Кусуми. Клетка использует эти «ножки», чтобы передвигаться, например, при метастазировании раковых клеток.
Исследователи изучили группу белков фокальной адгезии, называемых интегринами, которые связывают внутренний скелет клетки с внеклеточным матриксом. Ранее предполагалось, что интегрины прочно закреплены внутри клеточных ножек. Однако увеличенное время наблюдения позволило исследователям четко увидеть, что молекулы интегрина неоднократно перемещаются и останавливаются внутри клеточных ножек и даже мигрируют между стопами.
Как скалолаз, ищущий новую точку крепления, молекула интегрина перемещается в поисках возможной новой точки крепления. Найдя один, он временно привязывается к нему, чтобы определить, является ли новый захват стабильным. Как только он считается стабильным, интегрин крепко схватывается и тянет клетку вперед.
Используя свою новую технику, исследователи могут записывать видео полных танцев белков в клеточной мембране без перерыва. «Благодаря нашему методу мы теперь можем следить за движением каждого отдельного молекулярного танцора в течение достаточно длительного периода времени, чтобы понять клеточный контекст», - говорит профессор Кусуми. По его словам, прояснение поведения белков фокальной адгезии может помочь исследователям разработать лекарства, которые останавливают миграцию раковых клеток по организму.