Отслеживание молекул на турбоскорости

Микробиологи и биофизики из Боннского университета разработали метод, который ускоряет высокопроизводительный процесс наблюдения за молекулами в пять раз, позволяя получить представление о ранее неизвестных клеточных функциях.

УФ-лучи могут вызывать мутации в нашей ДНК, что потенциально способно привести к раку. Однако у человеческого тела есть защитный механизм. "Повреждение нашей ДНК активирует молекулы, которые быстро её ремонтируют, в идеале до деления клетки и распространения повреждения", — объясняет Кун Мартенс из Института микробиологии и биотехнологии Боннского университета. Но до сих пор никто точно не знает, как быстро работает эта клеточная функция репарации, и Мартенс теперь хочет это выяснить.

Однако это легче сказать, чем сделать, поскольку существующие методы недостаточно мощны для точного отслеживания отдельных молекул. "Трекинг единичных частиц предполагает маркировку молекулы флуоресцентным светом, превращая её в своего рода лампочку", — поясняет Мартенс.

"Затем мы делаем сотни снимков в секунду с помощью микроскопа высокого разрешения. Наша 'лампочка' освещает молекулу в темноте клетки, позволяя наблюдать за ней и отслеживать её движение с течением времени. Это позволяет нам измерить её диффузию и взаимодействие с другими клеточными компонентами".

Анализируя промежутки между молекулами и расстояния, пройденные одной молекулой от одного снимка к другому, исследователи могут определить, движутся ли частицы свободно внутри клетки или взаимодействуют с другими молекулами.

В контексте репарации ДНК это показывает, когда ферменты выполняют ремонтную работу — когда они взаимодействуют с ДНК — и когда они "простаивают", то есть свободно диффундируют внутри клетки.

Однако у метода есть недостаток. "Сложно отслеживать несколько молекул одновременно, — объясняет Мартенс. — Когда их пути пересекаются или они находятся слишком близко друг к другу, по сути, две 'лампочки' сливаются. Тогда идентифицировать их движения невозможно".

До сих пор микробиологам приходилось изучать молекулы одну за другой в трудоёмком процессе, который слишком долог, чтобы наблюдать за молекулами, ремонтирующими ДНК, "за работой". Фактически, трекинг единичных частиц в настоящее время занимает больше времени, чем сам процесс репарации.

Для решения проблемы Мартенс создал программное обеспечение для ускорения высокопроизводительного процесса. TARDIS (сокращение от "temporal analysis of relative distances") проводит полный анализ расстояний между локациями (то есть позициями молекулы на отдельных снимках) с увеличивающимися временными задержками. Работа опубликована в Nature Methods.

Вместо того чтобы фокусироваться на отдельных точках, как раньше, программа анализирует всю последовательность движений внутри клетки и, таким образом, одновременно изучает все молекулы. "TARDIS делает процесс измерения как минимум в пять раз быстрее без потери информации", — говорит Мартенс.

Это означает, что теперь он может уделить внимание оставшейся части своего исследовательского проекта, используя TARDIS для более детального изучения процессов репарации ДНК. "Меня особенно интересует, насколько легко или сложно ремонтируются определённые типы повреждений и насколько сильно ДНК повреждается от конкретной дозы УФ-излучения или химических веществ", — говорит Мартенс.