Чтобы понять механизмы, с помощью которых молекулы действуют в клетках, или влияние на них лекарств, было бы идеально иметь возможность отслеживать отдельные молекулы, в том числе, где в клетке они расположены и какие модификации они претерпевают, когда условия в клетке меняются. Однако при существующих технологиях это оказалось затруднительным, особенно с учетом времени, необходимого для осуществления такого мониторинга.
Исследовательская группа из Университета Осаки в сотрудничестве с RIKEN разработала систему, которая может преодолеть эти трудности за счет автоматического поиска, фокусировки, визуализации и отслеживания отдельных молекул в живых клетках. Команда показала, что этот подход может анализировать сотни тысяч отдельных молекул в сотнях клеток за короткий период, предоставляя надежные данные о состоянии и динамике интересующих молекул.
Для разработки этого метода, как сообщается в журнале Nature Communications, команда использовала систему на основе искусственного интеллекта, включающую обучение нейронных сетей, чтобы научиться правильно фокусироваться на образце и автоматически искать клетки, с последующим отслеживанием одиночных флуоресцентно меченых молекул с помощью флуоресцентного микроскопа полного внутреннего отражения.
Команда протестировала эту систему на рецепторном белке, называемом EGFR, который более или менее свободно перемещается вдоль плазматической мембраны, в которой он экспрессируется, в зависимости от того, претерпел ли он определенную модификацию. Их результаты показали, что система может различать модифицирующие и немодифицирующие состояния, отслеживая движения отдельных рецепторов в мембранах.
«Мы использовали результаты, полученные нашей системой, для расчета фармакологических параметров, таких как те, которые отражают эффективность лекарств и скорость, с которой молекулы диффундируют из своего первоначального местоположения», - говорит соответствующий автор Масасиро Уэда из Университета Осаки. «Результаты совпали со значениями, полученными в более ранних исследованиях с использованием традиционных трудоемких методов, что подтверждает ценность этой системы».
«Основным преимуществом этого подхода является то, что влияние лигандов и ингибиторов на мишень можно количественно оценить на уровне одной молекулы», - добавляет Уэда. «Автоматизация, обеспечиваемая этим подходом, означает, что большое количество целей, подвергшихся воздействию таких молекул, может быть охарактеризовано с низкими затратами, что повышает надежность результатов».
В качестве будущей работы команда надеется применить эту систему для мониторинга одиночных молекул в других частях клетки, например, в ядре и органеллах, используя другие оптические микроскопы. Система также должна быть применима клинически для надежного полногеномного скрининга и фармакологического тестирования.