„Symfonie buněčných aktivit“ byla odhalena technikou fluorescenčního zobrazování

Vědci z MIT vyvinuli způsob, jak současně vizualizovat až pět různých molekul v buňce, a to zacílením zářících skriptů na oddělená místa v buňce. Tento přístup může vědcům umožnit dozvědět se mnohem více o komplexních signalizačních sítích, které řídí většinu funkcí buněk. Zápočet: s laskavým svolením výzkumníků

Technika fluorescenčního zobrazování současně zachycuje různé typy signálů z více míst v živé buňce.

V jedné buňce tisíce molekul, jako jsou proteiny, ionty a další signální molekuly, spolupracují při provádění nejrůznějších funkcí – kromě jiných absorbují živiny, ukládají vzpomínky a rozlišují konkrétní tkáně.

Dešifrování těchto molekul a všech interakcí mezi nimi je monumentální úkol. Za posledních 20 let vědci vyvinuli fluorescenční skripty, které mohou použít ke čtení dynamiky jednotlivých molekul v buňkách. Obvykle však lze naraz vidět pouze jedno nebo dvě taková písmena, protože mikroskop nedokáže rozlišit mnoho fluorescenčních barev.

S Vědci nyní vyvinuli způsob, jak vizualizovat až pět různých typů molekul najednou, měřením každého signálu z náhodných a odlišných míst kolem buňky. Tento přístup může vědcům umožnit dozvědět se mnohem více o komplexních signalizačních sítích, které řídí většinu funkcí buněk, říká Edward Boiden, profesorka Y. Eva Tan z Neurotechnology a profesorka biologického inženýrství, médií a umění a MIT.

“Existují tisíce molekul kódovaných genomem a ty komunikují způsobem, kterému nerozumíme. Pouze jejich současným sledováním můžeme pochopit vztahy mezi nimi,” říká Boiden, který je také členem McGovern Institute for MIT Brain Research a Koch Institute for Integrative Cancer Research.

V nové studii Boiden a kolegové použili tuto techniku ​​k identifikaci dvou populací neuronů, které reagují na signály vápníku různými způsoby, což může ovlivnit, jak kódují dlouhodobé vzpomínky, tvrdí vědci.

Boiden je hlavním autorem studie, která byla zveřejněna 23. listopadu 2020 v buňka. Hlavními autory příspěvku jsou postdoktorand MIT Changyang Linghu a postgraduální student Shannon Johnson.

Symfonie mobilních aktivit

„Stejně jako poslech zvuku jediného nástroje z orchestru zdaleka nestačí k úplnému ocení symfonie,“ říká Linghu, „umožněním současného pozorování více celulárních signálů nám naše technologie pomůže pochopit„ symfonii “buněčných aktivit.“ Tyto čtyři obrazy porovnávají způsoby Odrůda, kterou vědci zviditelňují molekulární aktivitu, s novou technikou v levém dolním rohu. Zápočet: s laskavým svolením výzkumníků. Upraveno MIT News

Fluorescenční klastry

Aby zviditelnili molekulární aktivitu v buňce, vědci obvykle vytvářejí novináře sloučením proteinu, který se cítí jako cílová molekula, do zářícího proteinu. „Je to podobné tomu, jak bude detektor kouře cítit kouř a poté bude blikat světlo,“ říká Johnson, který je také pracovníkem Centra molekulární terapie Yang-tan. Nejběžnějším zářícím proteinem je zelený fluorescenční protein (GFP), založený na molekule původně nalezené ve fluorescenčních medúzách.

„Biolog obvykle pod mikroskopem vidí jednu nebo dvě barvy najednou a mnoho z těchto textů je zelené, protože jsou založeny na zeleném fluorescenčním proteinu,“ říká Boiden. „To, co doposud chybělo, je schopnost vidět více než několik těchto signálů najednou.“

„Stejně jako poslech zvuku jediného nástroje z orchestru zdaleka nestačí k úplnému ocení symfonie,“ říká Linghu, „umožněním současného pozorování více celulárních signálů nám naše technologie pomůže porozumět„ symfonii “buněčných aktivit.

Aby zvýšili počet signálů, které mohli vidět, vědci začali identifikovat signály podle místa místo podle barvy. Upravili stávající novináře tak, aby se hromadili v klastrech na různých místech buňky. Udělali to tak, že ke každému reportérovi přidali dva malé peptidy, což reportérům pomohlo vytvořit v buňkách odlišné shluky.

„Je to, jako by písmeno X bylo vázáno na kostky LEGO a písmeno Z bylo vázáno na kousek K’NEX – pouze kostky LEGO se budou lepit na jiné kostky LEGO, což znamená, že pouze písmeno X se shlukuje s více než písmenem X,“ říká Johnson. .

V této technice každá buňka dokončí stovky shluků fluorescenčních skriptů. Po měření aktivity každého klastru pod mikroskopem, na základě měnícího se záření, mohou vědci identifikovat, která molekula se měří v každém klastru, a to zachováním buňky a barvením na peptidové značky jedinečné pro každého reportéra. Peptidové značky nejsou viditelné v živé buňce, ale lze je obarvit a vidět po provedení živého zobrazení. To umožňuje vědcům rozlišovat mezi signály a různými molekulami, i když mohou všechny v živé buňce proudit stejnou barvou.

Pomocí tohoto přístupu vědci prokázali, že v jedné buňce vidí pět různých molekulárních signálů. Aby demonstrovali potenciální přínos této strategie, měřili aktivitu tří molekul paralelně – vápníku, cyklického AMP a proteinu kinázy A (PKA). Tyto molekuly tvoří signální síť zapojenou do mnoha různých buněčných funkcí v celém těle. V neuronech hraje důležitou roli při překládání krátkodobých vstupů (z vyšších neuronů) do dlouhodobých změn, jako je posilování spojení mezi neurony – nezbytný proces učení a vytváření nových vzpomínek.

Použitím této zobrazovací techniky na pyramidové neurony v hipokampu vědci identifikovali dvě nové subpopulace s odlišnou dynamikou signalizace vápníku. Jedna populace vykazovala pomalé reakce vápníku. U jiné populace měly nervové buňky rychlejší reakce vápníku. Druhá populace měla větší PKA odpovědi. Vědci se domnívají, že tato zvýšená reakce může pomoci udržet dlouhodobé změny v nervových buňkách.

Zobrazovací signální sítě

Vědci nyní plánují tento přístup otestovat na živých zvířatech, aby se naučili, jak signalizační aktivita souvisí s chováním, a rozšířili ji na další typy buněk, jako jsou imunitní buňky. Tato technika může být také užitečná pro srovnání vzorů síťové signalizace mezi buňkami ze zdravé a nemocné tkáně.

V tomto článku vědci prokázali, že mohou zaznamenat pět různých molekulárních signálů najednou, a změnou své stávající strategie věří, že mohou dosáhnout až 16. Říká se, že při více práci může tento počet dosáhnout stovek.

„Opravdu by to mohlo pomoci rozluštit některé z těchto náročných otázek o tom, jak části buněk spolupracují,“ říká Boyden. „Lze si představit věk, kdy můžeme sledovat vše, co se děje v živé buňce, nebo alespoň v té části, která pojednává o učení, nemoci nebo léčbě nemoci.“

Přečtěte si více a sledujte symfonii buněčných signálů, které řídí biologii, a získejte více informací o této studii.

Odkaz: „Prostorové multiplikace fluorescenčních zpráv pro dynamické zobrazování sítí pro přenos signálu“ od Changyang Linghu, Shannon L. Johnson, Pablo A. Valdes nebo A. Sun, Wen Min Park, Damien Park, Kirill D. Waxi, Yixi Liu, Bubba Ann, Stephanie A. Barnes, Orhan T. Sliker, Chun-chen Yao, Chi-chia (Jay) Yu, Ru Wang, Katzrina P. Admala, Mark F. Barr, Amy A. Keating a Edward. S. Boiden, 23. listopadu 2020, buňka.
DOI :: 10.1016 / j.cell.2020.10.035

Studii financovala kolegyně z McGovern Institute; Stipendium J. Douglase Tana; Lisa Young; Centrum molekulární terapie Yangtan; John Mail; Projekt otevřené filantropie; Výzkumný program fakulty HHMI-Simons; Program vědy o lidských hranicích; US Army Research Laboratory; MIT Media Laboratory; Picker Institute Innovation Foundation; National Institutes of Health, including NIH Director Pioneer Award; a National Science Foundation.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Aby se objev urychlil, vychází z mřížky vysoce dimenzionální infračervený mikroskop

Příklad vzoru dlaždice použitého ke skenování kulatého červa C. elegans. Non-grid pattern dává algoritmu vzorkování větší flexibilitu pro rychlé resetování oblastí zájmu. ...

Starověcí zirkonové říkají, že desková tektonika začala před 3,6 miliardami let – významná událost pro přivítání Země k životu

Zirkony studované výzkumným týmem byly vyfotografovány pomocí katholluminiscence, techniky, která umožňuje týmu vizualizovat vnitřek krystalů pomocí speciálního rastrovacího elektronového mikroskopu. Tmavé kruhy na...

Můžeme opioidy zvýšit návykovostí? [Video]

V roce 2017 byly miliony lidí po celém světě závislí na opioidech a 115 000 zemřelo na předávkování. Opioidy jsou nejsilnější léky proti bolesti, které...

V místě vazby protilátek ve variantách viru COVID-19 – hlavní důsledky pro budoucí vakcíny

Výzkumný tým Penn State zjistil, že N protein na SARS-CoV-2 je uložen ve všech pandemických koronavirech souvisejících se SARS (nahoře vlevo: SARS-CoV-2, civet, SARS-CoV,...

NASA investuje 105 milionů amerických dolarů do vývoje inovativních technologií pro malé podniky ve Spojených státech

NASA Má dlouhou historii podpory amerických podnikatelů při vývoji technologií od nápadu po obchodní připravenost. Agenturní program Small Business Innovation Research (SBIR) dále podporoval...

Newsletter

Subscribe to stay updated.