„Simfonia activităților celulare” dezvăluită de tehnica de imagistică fluorescentă

Cercetătorii MIT au dezvoltat o modalitate de a vizualiza simultan până la cinci molecule diferite într-o celulă, vizând reporterii luminoși către diferite locații din interiorul celulei. Această abordare ar putea permite oamenilor de știință să afle mult mai multe despre rețelele complexe de semnalizare care controlează majoritatea funcțiilor celulare. Credit: Amabilitatea cercetătorilor

Tehnica de imagistică fluorescentă simultană captează diferite tipuri de semnal din mai multe locații dintr-o celulă vie.

Într-o celulă, mii de molecule, cum ar fi proteinele, ionii și alte molecule de semnalizare, lucrează împreună pentru a îndeplini tot felul de funcții – absorbind nutrienți, stocând amintiri și diferențierea în țesuturi specifice, printre multe altele. .

O sarcină monumentală este interpretarea acestor molecule și a tuturor interacțiunilor lor. În ultimii 20 de ani, oamenii de știință au dezvoltat reporteri fluorescenți pe care îi pot folosi pentru a citi dinamica moleculelor individuale din celule. Cu toate acestea, de obicei, numai unul sau două astfel de semnale pot fi vizualizate simultan, deoarece multe culori fluorescente nu pot fi distinse printr-un microscop.

CU Cercetătorii au dezvoltat acum o modalitate de a vizualiza până la cinci tipuri diferite de molecule la un moment dat, prin măsurarea fiecărui semnal din locații aleatorii, specifice în întreaga celulă. Această abordare ar putea permite oamenilor de știință să afle mult mai multe despre rețelele complexe de semnalizare care controlează majoritatea funcțiilor celulare, a declarat Edward Boyden, profesor de nanotehnologie al Eva Tan și profesor de inginerie biologică, arte și științe media și creier și științe cognitive la MIT.

„Există mii de molecule codificate de genom și interacționează în moduri pe care nu le înțelegem. Doar urmărindu-i în același timp putem înțelege relațiile lor ”, a spus Boyden, care este, de asemenea, membru al Institutului MIT McGovern pentru Cercetarea Creierului și al Institutului Koch pentru Cercetarea Integrativă a Cancerului.

Într-un nou studiu, Boyden și colegii săi au folosit această tehnică pentru a identifica două populații de neuroni care răspund la semnalele de calciu în moduri diferite, care ar putea influența modul în care codifică amintirile pe termen lung, spun cercetătorii.

Boyden este autorul principal al studiului, publicat pe 23 noiembrie 2020, la Celulă. Principalii autori ai lucrării sunt rucsacul MIT Changyang Linghu și studentul absolvent Shannon Johnson.

Simfonia activităților celulare

„Așa cum ascultarea sunetului unui singur instrument de către o orchestră este departe de a fi suficientă pentru a aprecia pe deplin o simfonie”, spune Linghu, „permițând observarea simultană a mai multor semnale celulare, tehnologia noastră ne va ajuta să înțelegem„ simfonie a activităților celulare. „Aceste patru imagini compară diferite moduri în care oamenii de știință fac vizibile activitatea moleculară, cu noua tehnică în partea dreaptă jos. Credit: Amabilitatea cercetătorilor. Editat de MIT News

Clustere fluorescente

Pentru a face vizibilă activitatea moleculară într-o celulă, oamenii de știință creează de obicei reporteri prin fuzionarea unei proteine ​​care simte o moleculă țintă într-o proteină strălucitoare. „Acest lucru este similar cu modul în care un detector de fum detectează fumul și apoi aprinde intermitent”, a spus Johnson, care este, de asemenea, membru al Yang-Tan Molecular Therapeutics Center. Cea mai frecvent utilizată proteină de iluminare este proteina fluorescentă verde (GFP), care se bazează pe o moleculă găsită inițial în meduzele fluorescente.

“De obicei, un biolog poate vedea una sau două culori în același timp la microscop și mulți reporteri sunt în verde, deoarece se bazează pe proteina fluorescentă verde”, spune Boyden. „Ceea ce a lipsit până acum este capacitatea de a vedea mai mult de câteva dintre aceste semnale simultan”.

„Așa cum ascultarea sunetului unui singur instrument de către o orchestră este departe de a fi suficientă pentru a aprecia pe deplin o simfonie”, spune Linghu, „permițând observarea simultană a mai multor semnale celulare, tehnologia noastră ne va ajuta să înțelegem„ simfonie a activităților celulare. “

Pentru a crește numărul de semnale pe care le-au putut vedea, cercetătorii au setat semnale mai degrabă în funcție de locație decât de culoare. Au modificat reporterii existenți pentru a-i face să se acumuleze în clustere în diferite locații dintr-o celulă. Au făcut acest lucru prin adăugarea a două peptide mici fiecărui reporter, care i-au ajutat pe reporteri să formeze grupuri specifice în celule.

„Este ca și cum ai avea un reporter X legat de o cărămidă LEGO, iar reporterul Z fiind legat de o piesă K’NEX – doar cărămizile LEGO se vor prinde de alte cărămizi LEGO, ceea ce face ca doar reporterul X să fie grupat cu mai mult corespondent X ”, a spus Johnson.

Cu această tehnică, există sute de clustere de reporteri fluorescenți în fiecare celulă. După măsurarea activității fiecărui cluster sub microscop, pe baza fluorescenței fluorescentei, cercetătorii pot identifica ce moleculă a fost măsurată în fiecare cluster prin retenție celulară și colorare pentru etichetele peptidice unice pentru fiecare reporter. Etichetele peptidice sunt invizibile în celula vie, dar pot fi colorate și vizualizate după realizarea imaginii live. Acest lucru permite cercetătorilor să distingă semnale pentru diferite molecule, chiar dacă toate fluoresc în aceeași culoare în celula vie.

Folosind această metodă, cercetătorii au arătat că pot vedea cinci semnale moleculare diferite într-o singură celulă. Pentru a demonstra utilitatea potențială a acestei strategii, au măsurat activitățile a trei molecule în paralel – calciu, AMP ciclic și protein kinază A (PKA). Aceste molecule formează o rețea de semnalizare care este implicată în mai multe funcții celulare diferite din corp. În neuroni, joacă un rol important în conversia intrării pe termen scurt (de la neuroni în amonte) la schimbări pe termen lung, cum ar fi consolidarea conexiunilor dintre neuroni – un proces necesar pentru învățare și formarea de noi amintiri.

Aplicând această tehnică imagistică neuronilor piramidali din hipocamp, cercetătorii au identificat două noi subpopulații cu dinamici diferite de semnalizare a calciului. O populație a prezentat răspunsuri lente de calciu. La cealaltă populație, neuronii au primit răspunsuri mai rapide la calciu. Ultima populație a primit răspunsuri PKA mai mari. Cercetătorii cred că acest răspuns îmbunătățit poate ajuta la menținerea modificărilor de lungă durată ale neuronilor.

Vizualizarea rețelelor de semnalizare

Cercetătorii intenționează acum să încerce această abordare la animalele vii, astfel încât să poată studia modul în care activitățile de rețea de semnalizare sunt legate de comportament și, de asemenea, să le extindă la alte tipuri de celule, cum ar fi celulele imune. Această tehnică poate fi, de asemenea, utilă pentru compararea modelelor de rețea de semnalizare între celule din țesut sănătos și infectat.

În această lucrare, cercetătorii au arătat că pot înregistra simultan cinci semnale moleculare diferite și că, ajustându-și strategia actuală, cred că ar putea crește până la 16. Cu o muncă suplimentară, acest număr ar putea ajunge la sute, spun ei.

„Asta ar putea ajuta la deschiderea unor întrebări dificile despre modul în care părțile celulare funcționează împreună”, spune Boyden. “S-ar putea imagina o epocă în care putem urmări totul se întâmplă într-o celulă vie, sau cel puțin partea despre învățare, despre boală sau despre tratarea bolii.”

Citiți Spionarea în timp real a simfoniei de semnalizare celulară condusă de biologie pentru mai multe despre această cercetare.

Referință: „Multiplexarea spațială a reporterilor fluorescenți pentru imagistica dinamică a rețelelor de transducție a semnalului” de Changyang Linghu, Shannon L. Johnson, Pablo A. Valdes, Neu A. Shemesh, Won Min Park, Demian Park, Kiryl D. Piatkevich, Asmamaw T. Wassie, Yixi Liu, Bobae An, Stephanie A. Barnes, Orhan T. Celiker, Chun-Chen Yao, Chih-Chieh (Jay) Yu, Ru Wang, Katarzyna P. Adamala, Mark F. Bear, Amy E. Keating și Edward S. Boyden, 23 noiembrie 2020, Celulă.
DOI :: 10.1016 / j.cell.2020.10.035

Cercetarea a fost finanțată de Fellowship Foundation of Friends of the McGovern; Bursa J. Douglas Tan; Lisa Yang; Centrul Yang-Tan pentru terapie moleculară; John Doerr; proiectul Open Philanthropy; HHMI-Simons Faculty Scholar Program; Programul Științei Frontierei Umane; Laboratorul de cercetare al armatei SUA; MIT Media Lab; Fondul de inovare a Fundației Picower; Institutele Naționale de Sănătate, inclusiv NIH Director Innovator Award; și Fundația Națională pentru Științe.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

„Tirani” adolescenți – Descendenții dinozaurului sălbatic – Explicați diversitatea dinozaurilor?

Noi cercetări sugerează că generații de dinozauri carnivori gigantici, cum ar fi Tyrannosaurus rex, și-ar fi remodelat radical comunitățile cu specii mai mici concurente....

Limitele de date pot fi șterse cu antene optice noi și „inele luminoase”

Cercetătorii de la Universitatea din California, Berkeley, au găsit o nouă modalitate de a valorifica proprietățile undelor de lumină care pot crește cantitatea de...

Primul studiu științific al eficacității vaccinului COVID-19 din lumea reală – rezultatele aici

Primul studiu pe scară largă, evaluat de colegi, cu privire la eficacitatea sa din lumea reală COVID-19 Vaccinul a fost publicat de Institutul de...

„Cel mai dur grup de găuri negre” detectat de undele gravitaționale ar putea fi de fapt fuziunea stelelor din Boson

Reprezentare artistică a coliziunii a două stele de boson cu unde gravitaționale emise. Credite: Nicolás Sanchis-Gual și Rocío García-Souto O echipă internațională condusă de...

Procesul de tratament în rara morgă „carapace noroioase” a mumiei egiptene a fost expus – acesta este un caz de eroare

O figură mumificată și un sicriu în colecția Nicholson a Muzeului Aripii Chau Chuck de la Universitatea din Sydney. O persoană mumificată înfășurată...

Newsletter

Subscribe to stay updated.