В сотрудничестве с несколькими институтами по всей Японии ученые из Института науки и технологий Нара, Нара, Япония, сообщают о новой системе микроскопии, которая визуализирует производство метаболитов в живых клетках. Флуорогенные аптамеры, которые флуоресцируют при связывании с метаболитами, встраивали в клетки водорослей с помощью фемтосекундной лазерной фотопорации и наблюдали с помощью флуоресцентной микроскопии. Ожидается, что новая система будет способствовать метаболической инженерии экологически чистого биотоплива, фармацевтических и других продуктов
В поисках новых источников расходных материалов ученые пришли к выводу, что решением может быть сама жизнь. Метаболические инженеры изменили метаболизм живых организмов, чтобы создавать новые лекарства, биоразлагаемые вещества и биотопливо. Одним из лучших примеров современности является пенициллин. Метаболические инженерные бактерии увеличили скорость производства этого препарата более чем в 100 раз.
Основной задачей в этой области является определение наиболее продуктивных клеток. Сравнительно легко изучать массовые популяции, что дает информацию о метаболизме всей клеточной популяции. Однако по-прежнему чрезвычайно сложно определить, какие клетки в основной популяции стоят выше остальных с точки зрения производства метаболитов и, следовательно, их лучше всего копировать и имитировать. Эта идентификация требует наблюдения внутри отдельных клеток в режиме реального времени, пока производится метаболит. Ученые из Института науки и технологий Нара (NAIST) сообщают о новой системе, которая достигает этой цели в клетках микроводорослей. Система, о которой можно прочитать в Scientific Reports, объединяет флуорогенные аптамеры с фемтосекундной лазерной фотопорацией.
Водоросли обладают рядом привлекательных качеств для метаболической инженерии. Во-первых, они чрезвычайно адаптивны, так как обладают способностью жить в самых разных средах, от экватора до полюсов и даже в сильно засоленных или загрязненные воды», - говорит профессор Ёитиро Хосокава, руководивший исследованием.
Обычно ученые используют флуоресцентную микроскопию, чтобы заглянуть внутрь клетки. Эта стратегия включает в себя присоединение молекулы, которая флуоресцирует, к интересующему метаболиту. Однако из-за защиты клеточной стенки было трудно ввести флуоресцентные молекулы, которые обнаруживают специфические метаболиты в клетках микроводорослей извне.
Поэтому команда Хосокавы занимается разработкой флуоресцентных аптамеров, которые излучают флуоресценцию при связывании с метаболитом парамилоном, и методами производства, позволяющими вводить их в клетку с помощью лазерных импульсов.
«Мы синтезировали пептидный аптамер, связывающийся с парамилоном, и ввели его в клетки Euglena gracilis с помощью лазерной обработки единичных клеток», - сказал доктор. Таканори Маэно, автор исследования. «Парамилон производится только Euglena и функционирует как волокно. Его можно перерабатывать в биотопливо», - добавил он.
Чтобы ввести аптамер внутрь клетки, ученые стреляли в клетки лазерными импульсами длительностью всего в фемтосекунды. Эти импульсы создавали временные поры, достаточно большие для проникновения аптамеров. Оказавшись внутри, клетки становились зелеными только в тех местах, где аптамеры связывались с парамилоном. Используя этот метод, группа Хосокавы смогла измерить накопление парамилона во времени, таким образом отделив эффективные клетки от их непродуктивных соседей.
Хотя система тестировалась только на парамилоне, Хосокава утверждает, что другие метаболиты можно обнаружить с помощью соответствующих аптамеров.
"Наш метод дает пространственную и временную информацию о целевом внутриклеточном парамилоне, но в будущем он должен работать для любых видов метаболитов. Он будет полезен для отбора высокоэффективных клеток", - сказал он.