Исследователи из Института молекулярной физиологии Макса Планка в Дортмунде теперь нашли способ точно определять положение отдельных молекул, одновременно измеряя их активность и взаимодействия в одной и той же живой клетке. Специальный протокол охлаждения на микроскопе позволяет приостановить жизнь клеток при отрицательных температурах, чтобы они продолжали жить снова после нагревания. Из серии индивидуальных снимков исследователи могут сформировать точную пространственно-временную картину паттернов активности отдельных молекул в отдельных клетках.Флуоресцентная микроскопия позволяет увидеть, где находятся биологические молекулы в клетках.
Однако то, что Вернер Гейзенберг сформулировал для квантовой физики, в определенной степени имеет аналогию в биологии: в живом состоянии можно наблюдать коллективное движение молекул в клетках, что, однако, затрудняет определение их точного положения. Парадоксально, но молекулярную динамику, поддерживающую жизнь, необходимо остановить, чтобы зафиксировать положение молекул с помощью флуоресцентной микроскопии высокого разрешения.Живое вещество сохраняет свою структуру за счет потребления энергии, что приводит к динамическим молекулярным структурам в клетках, которые трудно наблюдать с помощью флуоресцентной микроскопии, потому что молекул слишком много, а их движения слишком быстрые. Чтобы решить эту проблему, необходимо сделать выбор: точно записать положение молекул в «мертвом» состоянии или проследить их коллективное поведение в живом состоянии.
Хотя исследователям удалось остановить движение клеток с помощью химической фиксации, такие методы приводят к необратимой гибели клеток, а полученные изображения молекулярных паттернов не репрезентативны для живой системы.Бережное охлаждение и согревание
Ученые во главе с Филиппом Бастиансом из Института Макса Планка в Дортмунде разработали метод, который позволяет им наблюдать наноразмерные структуры биомолекул, таких как белки, в заблокированном, но живом состоянии. Для этого они понижают температуру живых клеток, чтобы полностью приостановить движение макромолекул в клетках.
Это состояние, называемое крио-арестом, оставляет достаточно времени для получения изображений молекулярных структур с высоким разрешением. Добавляя и удаляя криозащитный агент во время процессов охлаждения и нагревания, ученые могут реанимировать арестованные клетки. Затем биологические процессы возобновляются, и клетки продолжают жить.
Исследователи могут несколько раз подряд замораживать клетки и получать несколько снимков, чтобы выявить закономерности движения. «Жизнь всегда находится в движении, чтобы сохранить свою форму, и поэтому ее невозможно точно записать. Тем не менее, это возможно сделать с помощью нашего метода обратимой крио-ареста.
Мы проигнорировали принцип биологической неопределенности», — сказал он. говорит Бастиаенс, глава отдела системной клеточной биологии.Сигнальные белки собираются в кластерыИсследователи смогли записать не только положение, но также активность и взаимодействия отдельных белков.
Например, они обнаружили, как рецепторы EGF — мембранные белки, которые переносят факторы роста внутрь клеток и играют важную роль в канцерогенезе — часто собираются в группы нанометрового размера на поверхности клетки. Ученые подозревают, что рецепторы могут быть особенно легко активированы в кластерах, так что они передают более сильный сигнал роста внутрь клетки.
На следующем этапе Бастиаенс и его сотрудники планируют усовершенствовать метод и сократить процесс охлаждения с нескольких минут до миллисекунд, чтобы обратимо задержать клетки без криозащитных средств.