کشف راه جدید برای مشاهده فعالیت داخل سلول زنده

مهندسان MIT با استفاده از برچسب‌های فلورسنتی که روشن و خاموش می‌شوند، می‌توانند نحوه تعامل مولکول‌ها در سلول برای کنترل رفتار آن را مطالعه کنند.

به گزارش تکناک، سلول های زنده با انواع مختلفی از سیگنال های مولکولی ورودی بمباران می شوند که بر رفتار آنها تأثیر می گذارد. توانایی اندازه‌گیری این سیگنال‌ها و نحوه واکنش سلول‌ها به آن‌ها از طریق شبکه‌های سیگنالینگ مولکولی، می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا اطلاعات بیشتری در مورد نحوه عملکرد سلول‌ها، از جمله اتفاقاتی که با افزایش سن یا بیماری می‌افتد، بیاموزند.

در حال حاضر، این نوع مطالعه جامع امکان پذیر نیست، زیرا تکنیک های فعلی برای تصویربرداری از سلول ها به تعداد انگشت شماری از انواع مختلف مولکول در یک سلول در یک زمان محدود می شود. با این حال، محققان MIT روش جایگزینی را توسعه داده‌اند که به آنها اجازه می‌دهد تا هفت مولکول مختلف را در یک زمان و حتی بیشتر از آن مشاهده کنند.

پیشرفت در تصویربرداری مولکولی

ادوارد بویدن می‌گوید: مثال‌های زیادی در زیست‌شناسی وجود دارد که در آن یک رویداد باعث ایجاد یک آبشار طولانی از رویدادها می‌شود، که سپس باعث ایجاد یک عملکرد سلولی خاص می‌شود.

رویکرد جدید از مولکول های فلورسنت سبز یا قرمز استفاده می کند که با سرعت های مختلف روشن و خاموش می شوند. با تصویربرداری از یک سلول در چند ثانیه، دقیقه یا ساعت و سپس استخراج هر یک از سیگنال های فلورسنت با استفاده از یک الگوریتم محاسباتی، می توان مقدار هر پروتئین هدف را با تغییر در طول زمان ردیابی کرد.

(زیرنویس تصویر دوم: محققان MIT با استفاده از چهار فلوروفور قابل تعویض، توانستند چهار کیناز مختلف را در داخل این سلول‌ها (چهار ردیف بالایی) برچسب‌گذاری کنند. در ردیف پایین، هسته های سلولی با رنگ آبی مشخص شده اند.)

پیشرفت در سیگنال های فلورسنت

برچسب زدن مولکول‌های داخل سلول‌ها با پروتئین‌های فلورسنت به محققان این امکان را می‌دهد تا اطلاعات زیادی در مورد عملکرد بسیاری از مولکول‌های سلولی بیاموزند. این نوع مطالعه اغلب با پروتئین فلورسنت سبز (GFP) انجام می شود که برای اولین بار در دهه 1990 برای تصویربرداری استفاده شد. از آن زمان، چندین پروتئین فلورسنت که در رنگ‌های دیگر می‌درخشند، برای استفاده تجربی ساخته شده‌اند.

یک میکروسکوپ نوری معمولی تنها می‌تواند دو یا سه رنگ از این رنگ‌ها را تشخیص دهد، و به محققان این امکان را می‌دهد که فقط یک نگاه اجمالی از فعالیت کلی که در داخل سلول اتفاق می‌افتد، داشته باشند. اگر محققان بتوانند تعداد بیشتری از مولکول‌های برچسب‌گذاری شده را ردیابی کنند، برای مثال می‌توانند پاسخ سلول مغزی به انتقال‌دهنده‌های عصبی مختلف را در طول یادگیری اندازه‌گیری کنند، یا سیگنال‌هایی را که سلول سرطانی را وادار به متاستاز می‌کند، بررسی کنند.

در حالت ایده‌آل، شما می‌توانید سیگنال‌های یک سلول را در حالی که در زمان واقعی نوسان می‌کنند، تماشا کنید و سپس می‌توانید ارتباط آنها با یکدیگر را درک کنید. بویدن می گوید که این به شما می گوید که سلول چگونه محاسبه می کند. مشکل این است که شما نمی توانید بسیاری از چیزها را همزمان تماشا کنید.

در سال 2020، آزمایشگاه بویدن راهی را برای تصویربرداری همزمان از پنج مولکول مختلف در یک سلول، با هدف قرار دادن نورهای درخشان به مکان‌های مشخص در داخل سلول، توسعه داد. این رویکرد که به عنوان مالتی پلکس فضایی شناخته می‌شود، به محققان اجازه می‌دهد سیگنال‌های مولکول‌های مختلف را تشخیص دهند، حتی اگر همه آن‌ها به یک رنگ فلوئورس شوند.

در مطالعه جدید، محققان رویکرد متفاوتی در پیش گرفتند: به جای تشخیص سیگنال ها بر اساس موقعیت فیزیکی آنها، سیگنال های فلورسنت ایجاد کردند که در طول زمان تغییر می کند. این تکنیک بر فلوروفورهای قابل تعویض متکی است که پروتئین های فلورسنتی هستند که با سرعت خاصی روشن و خاموش می شوند.

برای این مطالعه، بویدن و اعضای گروهش چهار فلوروفور قابل تعویض سبز را شناسایی کردند و سپس دو مورد دیگر را مهندسی کردند که همگی با سرعت های مختلف روشن و خاموش می شوند. آنها همچنین دو پروتئین فلورسنت قرمز را شناسایی کردند که با سرعت های مختلف تغییر می کنند و یک فلوروفور قرمز اضافی را مهندسی کردند.

هر یک از این فلوروفورهای قابل تعویض می‌تواند برای برچسب‌گذاری نوع متفاوتی از مولکول‌ها در یک سلول زنده، مانند آنزیم، پروتئین سیگنال‌دهنده یا بخشی از اسکلت سلولی استفاده شود. پس از تصویربرداری از سلول به مدت چند دقیقه، ساعت یا حتی روز، محققان از یک الگوریتم محاسباتی برای تشخیص سیگنال خاص از هر فلوروفور استفاده می‌کنند، مشابه این که چگونه گوش انسان می‌تواند فرکانس‌های مختلف صدا را تشخیص دهد.

در یک ارکستر سمفونیک، شما سازهایی با صدای بلند مانند فلوت و سازهای کم صدا، مانند توبا دارید. در وسط سازهایی مانند شیپور قرار دارد. همه آنها صداهای مختلفی دارند و گوش ما آنها را به ترتیب می شوند.

روش ریاضی که محققان برای تجزیه و تحلیل سیگنال‌های فلوروفور استفاده کردند، به نام اختلاط خطی شناخته می‌شود. این روش می‌تواند سیگنال‌های فلوروفور متفاوتی را استخراج کند.

هنگامی که این تجزیه و تحلیل کامل شد، محققان می‌توانند ببینند که هر یک از مولکول‌های برچسب‌دار فلورسنت در طول کل دوره تصویربرداری چه زمانی و کجا در سلول پیدا شده‌اند. خود تصویربرداری را می توان با یک میکروسکوپ نوری ساده و بدون نیاز به تجهیزات تخصصی انجام داد.

کاوش در پدیده های بیولوژیکی

در این مطالعه، محققان رویکرد خود را با برچسب‌گذاری شش مولکول مختلف درگیر در چرخه تقسیم سلولی در سلول‌های پستانداران نشان دادند. این کار به آنها اجازه داد تا الگوهایی را در چگونگی تغییر میزان آنزیم‌هایی به نام کینازهای وابسته به سیکلین با پیشرفت سلول در چرخه سلولی شناسایی کنند.

محققان همچنین نشان دادند که می توانند انواع دیگر کینازها را که تقریباً در هر جنبه ای از سیگنال دهی سلولی دخیل هستند، و همچنین ساختارهای سلولی و اندامک هایی مانند اسکلت سلولی و میتوکندری را برچسب گذاری کنند. محققان علاوه بر آزمایش‌های خود با استفاده از سلول‌های پستانداران رشد یافته در یک ظرف آزمایشگاهی، نشان دادند که این روش می‌تواند در مغز لارو ماهی زبرا نیز کار کند.

به گفته محققان، این روش می‌تواند برای مشاهده چگونگی واکنش سلول‌ها به هر نوع ورودی، مانند مواد مغذی، عوامل سیستم ایمنی، هورمون‌ها یا انتقال‌دهنده‌های عصبی مفید باشد. همچنین می‌توان از آن برای مطالعه چگونگی واکنش سلول‌ها به تغییرات فعالیت ژن یا جهش‌های ژنتیکی استفاده کرد. همه این عوامل نقش مهمی در پدیده های بیولوژیکی مانند رشد، پیری، سرطان، تخریب عصبی و شکل گیری حافظه دارند.

بویدن می‌گوید: شما می‌توانید همه این پدیده‌ها را به‌عنوان یک طبقه کلی از مشکلات بیولوژیکی در نظر بگیرید، جایی که برخی رویدادهای کوتاه‌مدت مانند خوردن یک ماده مغذی، یادگیری یا ابتلا به عفونت، یک تغییر طولانی‌مدت ایجاد می‌کند.

علاوه بر پیگیری این نوع مطالعات، آزمایشگاه بویدن در حال کار بر روی گسترش مجموعه فلوروفورهای قابل تعویض است تا بتوانند سیگنال‌های بیشتری را در یک سلول مطالعه کنند. آنها همچنین امیدوارند که سیستم را به گونه ای تطبیق دهند که بتوان از آن روی موش ها استفاده کرد.