Проверено Эмили Хендерсон, бакалавр наук 23 сентября 2020 г.

Ученые разработали новую технику, используя инструменты, сделанные из люминесцентной ДНК, светящейся, как светлячки, для визуализации механических сил клеток на молекулярном уровне.

Nature Methods опубликовал работу под руководством химиков из Университета Эмори, которые продемонстрировали свой метод на тромбоцитах крови человека в лабораторных экспериментах.

Обычно оптический микроскоп не может создавать изображения, которые разрешают объекты меньше длины световой волны, которая составляет около 500 нанометров ».

Халид Салаита, старший автор исследования и профессор кафедры химии, Эмори, медицинские науки

«Мы нашли способ использовать последние достижения в области оптической визуализации вместе с нашими датчиками молекулярной ДНК для улавливания сил на 25 нанометрах. Это разрешение похоже на то, как если бы вы были на Луне и наблюдали рябь, вызванную падением капель дождя на поверхность озера. на Земле ».

Почти каждый биологический процесс включает 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 отображения и отображения биомеханических сил.

Первые авторы статьи, Джошуа Брокман и Ханкуань Су, работали в качестве аспирантов Эмори в лаборатории Салаита. 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. Когда незакрепленные части ДНК вращаются вокруг, они создают полосы света на видео с микроскопов.

Когда клетка прикладывает силу к определенному рецепторному участку, прикрепленные зонды вытягиваются, заставляя их скрытые карманы открываться и высвобождать усики ДНК, которые хранятся внутри.

Свободно плавающие части ДНК сконструированы так, чтобы стыковаться с этими усиками ДНК. Когда флуоресцентные части ДНК состыковываются, они ненадолго демобилизуются, показывая неподвижные точки на видео с микроскопа.

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

Исследователи используют аналогию со светлячками для описания процесса.

«Представьте, что вы находитесь в поле в безлунную ночь, и есть дерево, которое вы не видите, потому что оно темное как смоль», – говорит Брокман, выпускник факультета биомедицинской инженерии Уоллеса Х. Култера. совместная программа Технологического института Джорджии и Эмори, а сейчас работает докторантом в Гарварде.

«По какой-то причине светлячкам очень нравится это дерево. Когда они приземлятся на все ветви и вдоль ствола дерева, вы можете медленно создать изображение контура дерева. И если бы вы были действительно терпеливы, вы даже можете обнаружить ветви дерева, колышущиеся на ветру, записав, как светлячки меняют свои места приземления с течением времени »

«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 влияет на нормальное поведение или здоровье клетки»

Еще одно преимущество, добавляет он, состоит 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 отображения нескольких сил. одновременно в камере.

«В конце концов, мы можем 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 подробнее, 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 с более высокой мощностью 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»