Улучшение инструментов визуализации для наблюдения за клетками

Две лаборатории химического факультета Университета Юты объединили усилия для улучшения инструментов визуализации, которые вскоре могут позволить учёным лучше наблюдать сигнализацию в функционирующих клетках и другие молекулярные процессы, центральные для жизни.

Лаборатории Нориеги и Хаммонд, обладающие взаимодополняющим опытом в химии материалов и химической биологии, представили в Journal of the American Chemical Society критические открытия, которые могут продвинуть эту цель.

"Мы пытаемся разработать новый метод визуализации, способ заглянуть в клетки и увидеть как их структурные особенности, которые очень сложны, так и получить информацию об их активности", — говорит соавтор Минг Хаммонд.

Современные методы предоставляют детали структуры клетки с высоким разрешением, но имеют сложную «слепую зону» в отношении функции. В данной работе изучается инструмент, который может быть применён в электронной микроскопии для одновременного анализа структуры и функции.

Биологическим образцам часто нужны «маркеры» — молекулы, являющиеся источником детектируемых сигналов. Широко используемый тип маркеров — флавопротеины. При фотоэксайтации они запускают химическую реакцию, в результате которой образуются полимерные частицы, поглощающие металл. Их высокий контраст в электронной микроскопии легко наблюдать.

"Предыдущие работы фокусировались на маркерах без учёта материалов, которые они генерируют. Наше же исследование включает в модель этапы химии материалов", — поясняет соавтор Родриго Нориега, признанный в этом году стипендиатом программы Sloan Research Fellowship.

Долгое время учёные предполагали, что в процессе задействован механизм с генерацией синглетного кислорода — особого вида активных форм кислорода. Однако команда из Университета Юты обнаружила, что основной вклад в процесс вносит перенос электронов между фотоэксайтированным маркером и строительными блоками полимера.

"Мы изучаем инструмент, который другие часто использовали как основу для этого нового типа визуализации, и все думали, что он работает определённым образом, но наши фотофизические исследования выявили удивительный механизм", — говорит Хаммонд.

Этот ранее упущенный из виду путь переноса электронов генерирует реактивные частицы, которые дают желаемый источник контраста для электронной микроскопии, без необходимости в синглетном кислороде.

Новая информация может помочь учёным улучшить дизайн этих маркеров. Коллаборативная команда уже использовала эти результаты, чтобы расширить количество и типы используемых полимерных строительных блоков, а также применить маркеры, которые являются плохими источниками синглетного кислорода, но отличными партнёрами для переноса электронов, и выращивать контрастные агенты в средах, которые ранее были недоступны.

"Помимо использования в электронной микроскопии, эти маркеры позволяют получить два изображения одного и того же образца: одно с помощью световой микроскопии, а другое — с помощью электронной. Такой многослойный образ содержит гораздо больше информации, чем каждый из них по отдельности", — объясняет Нориега.

Этот метод, называемый корреляционной микроскопией, подобен разным слоям в Google Maps.

Эти достижения могут позволить учёным лучше понять клеточную сигнализацию — один из фундаментальных процессов жизни — не только внутри отдельных клеток, но и в сообществах клеток.

"Клетки используют химические вещества для общения друг с другом. Это их язык, то, как они понимают, дружелюбны их соседи или враждебны. Так они работают вместе, конкурируют и даже маскируются внутри сообщества", — говорит Хаммонд.

Картирование этих химических сигналов между группами клеток в сложной пространственной организации требует обнаружения уровней активности в контексте структуры образца. "Нам бы очень хотелось увидеть их общение, но мы также хотим увидеть их окружение".