Белки несут большинство биологических функций в жизни. Биологи давно узнали, что новые белки производятся, а старые разрушаются со временем, как того требует метаболическая активность живых организмов.
Многие сложные физиологические и болезненные процессы включают синтез и распад белка в пространстве и времени. Например, для формирования долговременной памяти требуется зависимый от активности синтез белка в определенных нейронах, в то время как разрушительная болезнь Хантингтона часто нарушает пути деградации белка пораженных клеток.Технически, однако, очень сложно визуализировать метаболизм белков неинвазивным и глобальным (то есть протеомным) способом, особенно для живых систем. Предыдущие методы с использованием радиоактивных аминокислот должны работать с мертвыми образцами.
Масс-спектрометрия с визуализацией инвазивна, поэтому несовместима с живыми системами. Методы, основанные на флуоресценции с использованием неприродных аминокислот, обычно требуют нефизиологической фиксации клеток.
Чтобы решить эту проблему, Мин и его команда использовали новую комбинацию химической маркировки и физического обнаружения. В частности, они объединили развивающуюся лазерную технику, называемую микроскопией с использованием стимулированного комбинационного рассеяния (SRS), с метаболическим мечением дейтерированных аминокислот (D-AA) с помощью механизмов синтеза нативного белка клетки. В специально приготовленных D-AA обычные атомы водорода заменены атомами дейтерия, которые проявляют почти идентичные физико-химические свойства с водородом, за исключением их большей массы. Когда связь углерод-дейтерий растягивается, возникает сигнал комбинационного рассеяния света с уникальной «частотой» (отличной от естественных молекул внутри клеток).
Вновь синтезированные белки, построенные на встроенных D-AA, затем могут быть специфически обнаружены с помощью SRS по уникальной вибрационной сигнатуре углерод-дейтерийных связей. Используя этот метод, Мин и его команда продемонстрировали визуализацию вновь синтезированного белка в живых клетках, как сообщалось в более ранней публикации Proc. Natl.
Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ.
110, 11226, 2013.«Новая статья ACS Chem Biol значительно расширила концепцию связи SRS с метаболическим мечением D-AA», — сказал ведущий автор Лу Вэй, доктор философии. кандидат химии. Помимо мониторинга синтеза белка, этот метод может также исследовать деградацию белка, отслеживая затухание сигнала метильной группы (CH3), приписываемое уже существующим белкам.
Более того, вдохновленная классическим анализом последовательности импульсов сложной динамики белков, двухцветная визуализация последовательности импульсов была достигнута путем рационального разделения всей коллекции D-AA на два структурно разных подмножества с различными вибрационными сигнатурами. Таким образом, команда Мина смогла исследовать динамику развития агрегатов мутантных белков хантингтина в живых клетках.«Обладая значительно усовершенствованной техникой, мы можем проводить биологические приложения, выходящие далеко за рамки ранее продемонстрированной на простых клеточных линиях», — сказал Вэй. В этом новом исследовании команда визуализировала пространственное распределение вновь синтезированных белков внутри срезов живой мозговой ткани с выраженным сигналом, наблюдаемым в зубчатой извилине, что свидетельствует о высокой метаболической активности в этой области.
Сложная взаимосвязь между синтезом белка и пластичностью нейронов в настоящее время исследуется на этой платформе.«Основное преимущество нашей методики заключается в ее нетоксичности и минимальной инвазивности, поскольку введение D-АК в модельные организмы, по-видимому, нетоксично даже в течение длительного времени», — добавил Вэй. Команда нанесла на карту недавно синтезированный белок у живых животных, включая рыбок данио и мышей. Сильные сигналы обнаруживаются в сомитах хвоста эмбрионов рыбок данио, а также в тканях печени и кишечника исследованных мышей.
Все эти новые демонстрации подтверждают технику допроса in vivo.«Помимо фундаментальных исследований, наша методика может также внести большой вклад в переводческие приложения», — сказал Мин. «Учитывая, что мечение стабильных изотопов и визуализация SRS совместимы с живыми людьми, мы видим прекрасную перспективу применения этой платформы для выполнения диагностической и терапевтической визуализации у людей».