Успешная визуализация химических реакций в живой клетке

Новая технология с беспрецедентной точностью позволяет визуализировать химические реакции в живой клетке

Биоинженеры из Берклеевского университета Калифорнии разработали методологию, которая позволяет впервые визуализировать динамику биофизических реакций в живой клетке. Используя уникальные для каждого вещества спектры поглощения, группа исследователей под руководством Люка Ли, профессора биоинженерии и директора Берклеевского центра биомолекулярных нанотехнологий, научилась с беспрецедентной точностью в реальном времени определять активность специфических ферментов в отдельно взятой клетке.

Prof__Luke_P__Lee.jpg

Prof. Luke P. Lee

Исследователи отмечают, что другие методики, например ядерный магнитный резонанс, могут в лучшем случае обеспечить информацией о кластерах клеток. Однако для определения ранних следов развития заболеваний или размножения штаммов бактерий, необходимо более глубокое знание молекулярной динамики в одиночной клетке.

rasseyanie_sveta.jpg

Графическое представление рассеяния света металлическими наноплазмонными частицами при их возбуждении внешним источником света. Металлические частицы могут быть связаны с биомолекулами для обнаружения слабых химических сигналов одиночных клеток.

В настоящее время ученые внедряются через мембрану, разделяют и анализируют компоненты клетки, однако такой подход в принципе не может обеспечить исследование клеточных процессов в реальном времени, так как клетка умирает при экстракции компонент. Люк Ли, который также является содиректором Берклеевского центра Сенсоров и Актуаторов, говорит, что существует большая надежда, что однажды стволовые клетки позволят лечить различные заболевания, однако одной из наиболее важных задач в этом направлении является точное понимание того, как дифференцируются индивидуальные клетки.

Что происходит в клетке, когда она становится волокном сердечного мускула, а не зубом или волосом? Для ответа на этот вопрос, считает Ли, необходимо следить за химическими сигналами, когда протеины и гены функционируют вместе внутри клетки.

Исследователи пытаются решить эту задачу, совершенствуя общепринятую методику оптической спектроскопии, в которой пучок света проходит через исследуемый раствор и определяется его спектр поглощения. Гистогематин С, например, протеин, вовлеченный в метаболизм клетки и процесс ее умирания, имеет несколько характерных пиков поглощения в области 550 нанометров. Спектр поглощения молекулы может изменяться в процессе химических реакций с другими молекулами, например, с кислородом.

Kletka_iznutri.jpg

Для успешной работы обычной оптической спектроскопии необходимы сравнительно высокие концентрации биомолекул и большой объем раствора для детекции тонких изменений частоты пиков поглощения. Для выделения достаточного количества молекул необходимо убить сотни миллионов клеток. Ученые применили новаторский подход к решению этой проблемы, связывая биомолекулы (Гистогематин С в настоящем исследовании) с наночастицами золота диаметром 20–30 нанометров.

Известно, что электроны на поверхности металлических частиц (золото, серебро, например) осциллируют с определенной частотой при облучении их светом. Этот эффект известен, как плазмоновый резонанс. Резонансные частоты золотых наночастиц гораздо проще детектировать, чем слабый оптический сигнал от гистогематина С.

Плазмоновый резонанс золота очень удобен для определения, так как он находится в диапазоне 530–580 нм, соответствующем пику поглощения гистогематина С. Когда пик поглощения биомолекулы пересекается с частотой плазмонового резонанса золотых наночастиц, можно увидеть, обмениваются ли они энергией. Такой перенос энергии выделяется на спектре, как характерный уклон на пике поглощения золотой наночастицы.

Для обнаружения таких уклонов необходима сравнительно малая концентрация молекул, поэтому вместо концентрации в миллионы молекул, исследователи могут работать теперь с сотнями или даже десятками. Чувствительность и избирательность метода позволяют усовершенствовать диагностику ряда заболеваний и расширить инструментарий индивидуализированной медицины.

Описанный эксперимент повторили для пары гемоглобин-серебряные наночастицы и получили сходные результаты. По словам Люка Ли, эта методика убивает сразу двух зайцев – уменьшает пространственное разрешение, необходимое для детекции молекулы и одновременно позволяет получать информацию о химических процессах в живой (и, что самое главное, в живущей) клетке. Золотые наночастицы можно назвать нанозвездами, поскольку они проливают свет на внутреннюю жизнь клеточной галактики.

Максим Щербина

http://www.nanojournal.ru/events.aspx?…

New Nanoparticle Technique Captures Chemical Reactions In Single Living Cell With Amazing Clarity

http://www.sciencedaily.com/…19170147.htm

Да, всё глубже и глубже проникает пытливая мысль учёных и исследователей внутрь самой материи. Они всё лучше стараются понять устройство и механизмы работы таких сложных «устройств», как наш организм и клетки, из которых он состоит. Проникают, так сказать, в тайны мироздания, в тайны тех или того, кто это всё «придумал». И помогают им в этом деле нанотехнологии. А в результате этого понимания в конце концов появятся новые лекарства, новые методы лечения различных (в том числе – смертельных в настоящее время) болезней. Нельзя не пожелать им (учёным, исследователям) новых успехов на этом благородном пути…