«Белковая лента» CytoTape позволяет учёным записывать и изучать клеточные процессы в масштабе и во времени

Разгадка тайн функционирования биологических организмов начинается с понимания молекулярных взаимодействий внутри больших популяций клеток. Революционный новый инструмент, разработанный в Мичиганском университете, действует как своеобразная «магнитная лента», которую производит и поддерживает сама клетка. Это позволяет учёным «перематывать» время назад и наблюдать за взаимодействиями в большом масштабе и на протяжении длительных периодов.

Разработанная в лаборатории Чаньяна Линху, доктора философии, доцента клеточной биологии и биомедицинской инженерии, так называемая CytoTape представляет собой гибкую нитевидную внутриклеточную белковую структуру. Её дизайн был создан с помощью искусственного интеллекта, чтобы она могла служить записывающим устройством для крупномасштабного измерения клеточной активности.

Исследование опубликовано в журнале Nature.

Современные методы визуализации для измерения изменяющихся биологических процессов часто вынуждены идти на компромисс между разрешением и масштабом. Например, фМРТ, обычно используемая для изучения мозга, позволяет наблюдать за его активностью в большом масштабе, но не может показать, что происходит на уровне отдельных клеток. В то же время световая микроскопия обеспечивает разрешение на уровне одной клетки, но ограничена из-за рассеивания света в тканях.

Команда предложила решение: встраивать временные метки в пространственное измерение, пока клетка жива.

«Подобно годичным кольцам деревьев, которые кодируют физиологическую историю роста, CytoTape записывает временную активность клеток in situ вдоль гибкой внутриклеточной белковой структуры для последующего считывания в масштабе с помощью обычной световой микроскопии, преодолевая компромисс между разрешением и масштабом», — пояснил Чаньян Линху.

Чтобы доставить CytoTape в популяции клеток, «мы применили существующие методы доставки генов, чтобы ввести в клетки последовательность ДНК, кодирующую синтетический мономер ленты», — сказал соавтор Лижон Чжэн, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Линху. — «Мы обнаружили, что CytoTape не изменяет нормальную физиологию клеток или функцию мозга мыши in vivo».

Затем клетка, воспринимая мономер ленты как необходимый ей элемент, начинает непрерывно производить его. Мономеры самоорганизуются в клетке и со временем удлиняют белковую ленту. На неё записываются цветные молекулярные метки, соответствующие различным временным сигналам клетки в течение периода до трёх недель.

«Метки маленькие, менее 15 аминокислот, и они встраиваются в мономеры ленты», — добавила аспирантка и соавтор Исяо Янь.

Метки, как она объяснила, широко используются в биологии и сконструированы так, чтобы их могли распознавать различные флуоресцентные антитела и наблюдать под микроскопом. Они служат «подписью» того, что происходило внутри клетки в определённый момент времени.

Команда применила CytoTape в нейронах и глиальных клетках мышей, а также в клетках, полученных из эмбриональных почек человека и раковых клетках человека. Благодаря возможности видеть, что происходило до, во время и после клеточного события, они обнаружили неожиданные временные режимы регуляторных путей, участвующих в клеточной пластичности.

«С помощью нашего инструмента мы надеемся сотрудничать с биомедицинскими исследователями, чтобы изучить различные процессы клеточной пластичности, длящиеся дни и недели», — сказал Линху. — «Сравнивая результаты между здоровым и больным мозгом, мы, возможно, сможем точно определить, что именно идёт не так в этих процессах в пространстве и времени, и получить представление для будущих терапевтических вмешательств, чтобы исправить эти различия».

Это открытие прокладывает путь к принципиально новому способу изучения долгосрочных процессов в биологии, от развития мозга до старения и прогрессирования заболеваний, позволяя «прочитать» историю клетки уже после её гибели.