Изучение движения крошечных клеток - непростая задача. Для хроматина, группы ДНК, РНК и белковых макромолекул, упакованных в наш геном, движение является неотъемлемой частью его активной роли в качестве регулятора экспрессии или подавления наших генов.
«Понимание движения макромолекул имеет решающее значение, но ученые очень мало о нем знают», - сказал Вадим Бэкман, профессор биомедицинской инженерии Уолтера Дилла Скотта в Северо-Западном университете.«Отчасти причина в том, что нам не хватает инструментальных методов наблюдения за этими процессами».
Теперь группа исследователей Инженерной школы Маккормика под руководством Бэкмана разработала новую оптическую технику для изучения движения клеток без использования меток или красителей для их отслеживания. Инновационный метод также выявил еще не обнаруженный феномен, который может играть роль на самых ранних стадиях гибели клеток.
Выводы команды были опубликованы 10 апреля в журнале Nature Communications. Статья называется «Мультимодальная интерференционная визуализация наноразмерной структуры и движения макромолекул позволяет выявить клеточный пароксизм, индуцированный УФ-излучением».
Хотя в настоящее время ученые могут отслеживать движение клеток с помощью молекулярных красителей или меток, эта практика имеет ограничения. Красители токсичны и изменяют поведение клеток, прежде чем, в конце концов, убьют их. Метки прикрепляются к клеткам, могут быть токсичными или приводить к фотообесцвечиванию, а также могут сигнализировать о движении тех самых молекул, которые они маркируют.
Новая методика, называемая двойной PWS, не содержит меток и позволяет отображать и измерять движение макромолекул без использования красителей. Основанная на методе количественной визуализации, ранее созданном Бэкманом под названием «Частичная волновая спектроскопия» (PWS), платформа использует интерференцию и изменения структуры обратно рассеянного света для мониторинга как макромолекулярной структуры клеток, так и их динамического движения..
«Важнейшие процессы, такие как транскрипция гена или восстановление поврежденных белков, требуют одновременного движения многих молекул в сложной сложной среде», - сказал Скотт Гладштейн, аспирант лаборатории Бэкмана и первый исследователь. автор. «В качестве платформы визуализации с возможностью измерения как внутриклеточной структуры, так и динамики макромолекул в живых клетках с чувствительностью к структурам размером до 20 нм с миллисекундным временным разрешением двойной PWS идеально подходит для изучения этих процессов."
Исследователи применили двойной PWS, изучая наномасштабные структурные и динамические изменения хроматина в эукариотических клетках in vitro. Используя ультрафиолетовый свет, чтобы вызвать гибель клеток, команда измерила, как изменилось движение хроматина клеток.
«Имеет смысл, что когда клетки вот-вот умрут, их динамика уменьшится», - сказал Бэкман. «Существующее в живых клетках облегчающее движение, помогающее экспрессировать гены и изменять их экспрессию в ответ на раздражители, исчезает. Мы этого и ожидали».
Чего исследователи не ожидали, так это впервые увидеть биологическое явление. По словам Бэкмана, клетка достигает «точки невозврата» во время распада, когда даже если источник клеточного повреждения будет остановлен, клетка не сможет восстановить себя до функционального состояния. Используя двойной PWS, исследователи заметили, что незадолго до этого поворотного момента геномы клеток взорвались быстрым мгновенным движением, при этом различные части клетки двигались, казалось бы, случайным образом.
«Каждая протестированная нами клетка, которой суждено умереть, испытывала этот пароксизмальный рывок. Ни одна из них не могла вернуться в жизнеспособное состояние после того, как это произошло», - сказал Бэкман, который возглавляет новый Центр физической геномики и инженерии Северо-Запада.
Команде неясно, почему и как возникает явление, называемое клеточным пароксизмом. Первоначально Бэкман задавался вопросом, могло ли это движение быть связано с попаданием ионов в клетку, но такой процесс занял бы слишком много времени. Нескоординированные движения клеточных структур происходили в течение миллисекунд.
«В биологии просто нет ничего, что могло бы двигаться так быстро», - сказал Бэкман. Он добавил, что сотрудники его лаборатории были настолько удивлены результатами, что пошутили, что это явление можно объяснить тем, что «мидихлорианы» покидают клетку, что является отсылкой к химическому воплощению «Силы» в фильмах «Звездные войны».
Хотя клеточные пароксизмы пока остаются загадкой, Бэкман считает, что выводы команды подчеркивают важность изучения поведения макромолекул живых клеток. Чем больше информации исследователи смогут получить о хроматине, тем больше вероятность того, что однажды они смогут регулировать экспрессию генов, что может изменить подход к лечению таких заболеваний, как рак и болезнь Альцгеймера.
«Каждый отдельный биологический процесс, который вы можете себе представить, включает в себя какую-то макромолекулярную перестройку», - сказал Бэкман. «По мере того, как мы расширяем наше исследование, я не могу не задаться вопросом: «Что мы найдем дальше?»»
Гильермо Амир из Northwestern Engineering, профессор биомедицинской инженерии Дэниела Уильямса Хейла, и Игал Шлейфер, профессор биомедицинской инженерии Кристины Энрот-Кугелл, также внесли свой вклад в исследование.