Белковые хамелеоны делают отдельные клетки видимыми

Исследователи обнаружили новый механизм изменения цвета флуоресцентными белками. Он позволяет визуализировать отдельные клетки в их трёхмерной среде в живых организмах.

Учёные из Департамента биосистемных наук и инженерии ETH Zurich в Базеле разработали новую микроскопическую технику, которая впервые позволяет избирательно визуализировать отдельные клетки в сложной трёхмерной ткани живого организма. Исследователям удалось получить впечатляющие микроскопические изображения, например, нервной системы личинки рыбки данио-рерио — популярного модельного организма. На снимках видны моторные нейроны в спинном мозге, при этом один нейрон со всеми его отростками подсвечен другим цветом.

К новому применению привело наблюдение постдока Уильяма Демпси из группы профессора ETH Периклиса Пантазиса. Он работал с особым классом флуоресцентных белков, которые меняют цвет при облучении лазерным светом определённой длины волны. Один из таких «белков-хамелеонов» называется Dendra 2. В норме он испускает зелёный свет при освещении синим светом. Однако излучение Dendra 2 смещается в красную область при облучении интенсивным фиолетовым или ультрафиолетовым (УФ) лазерным светом.

Комбинация двух лазеров

Демпси и Пантазис обнаружили, что при одновременном облучении Dendra 2 как синим, так и красным лазером белок также может изменить цвет на красный. Для этой двухцветной подсветки достаточно лазерного света низкой интенсивности. В отличие от высокоинтенсивного фиолетового или УФ-облучения, он не повреждает живые клетки.

Затем профессор ETH Пантазис и его коллеги придумали, как это открытие можно применить в световой микроскопии. Флуоресцентные белки можно использовать для визуализации целых клеток, точных клеточных структур или отдельных молекул. Впервые открытие исследователей ETH позволяет выделить одним цветом отдельную клетку или группу молекул в желаемой части живого организма, в то время как все остальные клетки или молекулы остаются видимыми другим цветом.

Фокус на одной точке

Исследовательская группа показала, что по отдельности два разных лазерных луча не могут изменить цвет белка-хамелеона. Но когда два луча объединяются и направляются так, чтобы встретиться в определённой точке объекта, то белки в фокусе меняют цвет. Напротив, белки, которые не активируются двумя лазерами одновременно, сохраняют свой исходный цвет.

Исследователи разработали простой и недорогой цветной фильтр, который можно использовать с обычными конфокальными лазерными микроскопами, имеющимися во многих биомедицинских исследовательских институтах. При установке между источником лазера и объектом фильтр разделяет лазерный свет на отдельные синий и красный лучи, которые направляются на небольшую фокальную точку на объекте.

Исследование динамических процессов

В случае с прозрачной личинкой рыбки данио-рерио, хорошо подходящей для микроскопии, исследователи ETH использовали Dendra 2 для окрашивания нейронов. Затем они сфокусировали фокальную точку комбинированного лазерного луча на теле одной клетки нейрона у живой анестезированной рыбки. Локальные молекулы Dendra 2 стали красными, распространились по всей клетке и окрасили её отростки. Все остальные клетки, даже в непосредственной близости от целевой клетки, остались зелёными.

Способность визуализировать отдельные нейроны может иметь большое значение, например, для точного картирования мозга, считает Пантазис. Поскольку метод подходит для таргетирования отдельных клеток в живых организмах, его также можно использовать для изучения динамических процессов: например, что происходит с отдельными клетками или группой молекул, когда исследователи обрабатывают организм активными фармацевтическими ингредиентами. Также можно более детально изучить развитие эмбриона. «Наш метод позволяет проводить трёхмерный анализ элегантным способом», — поясняет Пантазис. «Это очень хороший пример того, как можно взять результат фундаментального исследования и использовать его для решения технически сложной задачи». Пантазис надеется, что в будущем эта техника будет более широко использоваться в биомедицинских исследованиях, и ведёт переговоры с производителями микроскопов о внедрении этой технологии.

Флуоресцентные белки

Флуоресцентные белки играют ключевую роль в биомедицинских исследованиях. Именно эти белки исследователи используют для окрашивания клеточной структуры или конкретной молекулы, чтобы сделать их видимыми под микроскопом. В природе эти белки встречаются у некоторых видов медуз и кораллов. Со временем исследователи создали радужную палитру флуоресцентных белков, излучающих свет в видимом спектре. В результате разные клеточные структуры можно визуализировать одновременно с помощью флуоресцентных белков с разным цветом излучения. Кроме того, некоторые флуоресцентные белки, такие как использованный в этом исследовании белок Dendra 2, меняют свой цвет после облучения светом определённой длины волны.