Исследователи уговорили клетки мозга мыши производить самособирающиеся белковые цепи, которые могут записывать информацию или «воспоминания» о скрытых процессах, происходящих внутри клеток. После полного формирования эти биологические чёрные ящики можно легко прочитать с помощью светового микроскопа, что потенциально может произвести революцию в том, как учёные изучают клеточные процессы и заболевания, которые на них влияют.
Клетки — это центры постоянной активности, выполняющие важнейшие повседневные задачи, поддерживающие жизнь организмов. Эта активность координируется специфическими «клеточными событиями», такими как экспрессия определённых генов или запуск клеточных путей, ряд взаимодействий между молекулами в клетке, которые приводят к определённому продукту или изменению в клетке. Но точное понимание того, как протекают эти клеточные события, может оказаться непростой задачей.
Визуализируя белки, РНК или другие молекулы, образующиеся во время этих событий внутри клеток, учёные узнали, как работает большинство клеточных событий. Однако этот метод обеспечивает лишь краткий снимок события. И хотя эти снимки можно сшить вместе, чтобы сформировать общую картину, учёные, вероятно, упускают из виду многое из того, что происходит на самом деле.
В новом исследовании, опубликованном 2 января в журнале Nature Biotechnology, исследователи генетически изменили нейроны мышей, чтобы создать физическую временную шкалу этих событий. Взломанные клетки мозга постоянно производили идентичные субъединицы флуоресцентного белка, которые естественным образом самособирались в длинную цепь. Когда происходили важные клеточные события, такие как включение определённого гена, клетками производилась альтернативная субъединица, которая добавлялась в цепь вместо нормальной повторяющейся субъединицы. Это позволило исследователям вернуться назад и посмотреть на цепочки, чтобы точно увидеть, когда произошли эти клеточные события.
«Это не только моментальный снимок во времени, но и запись прошлой истории, — заявил в своём заявлении ведущий автор исследования Чанъян Линху (Changyang Linghu), клеточный биолог из Мичиганского университета. — Точно так же, как кольца деревьев могут постоянно хранить информацию с течением времени по мере роста древесины.»
В ходе новых экспериментов исследователи выращивали в чашках Петри культуры генетически изменённых нейронов мыши. Взломанные клетки мозга были способны производить две белковые субъединицы: HA, которая постоянно вырабатывалась клеткой, и V5, которая вырабатывалась вместо HA каждый раз, когда включался ген под названием c-Fos, который активируется в нейронах при формировании воспоминаний у мышей и людей.
Каждая из двух субъединиц, которые не продуцируются нормальными нейронами мыши, имела уникально окрашенное флуоресцентное антитело, прикреплённое через короткий пептид, известный как эпитопная метка, что позволяет легко дифференцировать его под микроскопом. Субъединица HA имела синюю метку, а антитело V5 имело розовую метку. Таким образом, получившиеся цепи выглядели как длинные синие линии со случайными розовыми участками, появляющимися каждый раз, когда активировался ген c-Fos. Это позволило специалистам подсчитать, как часто активировался ген c-Fos и сколько времени прошло между каждой активацией.
В принципе, если бы тот же метод был применён к нейронам человека, это могло бы позволить исследователям увидеть, как и когда у людей формируются новые воспоминания, которые можно было бы использовать для изучения неврологических состояний, таких как деменция. Тем не менее, это исследование является лишь проверкой концепции, и пройдут годы, если не десятилетия, прежде чем белковые цепи можно будет использовать в клинических условиях.
Кроме того, команда экспертов считает, что этот метод в конечном итоге можно будет использовать в клетках любого типа для создания временных рамок активации нескольких различных генов. Дополнительные субъединицы также могут быть получены для других клеточных событий, потенциально раскрывая скрытую внутреннюю работу почти любого типа клеток и то, как они взаимодействуют друг с другом, что может изменить правила игры в медицине, говорят исследователи.
Однако у цепочек памяти есть одно серьёзное ограничение: они могут расти только до тех пор, пока ячейка широка. Как только цепочка попадает внутрь клеточной стенки, ей некуда деться, и она начинает запутываться и становится нечитаемой.
В ходе экспериментов исследователи создавали цепочки памяти в течение примерно двух дней, прежде чем они попадали в клеточную стенку. Изображения под микроскопом были сделаны непосредственно перед тем, как это произошло, чтобы сохранить данные.
Теоретически скорость, с которой субъединицы добавляются к цепям, может быть уменьшена, чтобы конечная цепь оставалась той же длины, но формировалась дольше, что, в свою очередь, могло бы позволить исследователям записывать более конкретные события, сказал Линху. Но это снизит точность временной шкалы, поскольку будет больше неопределённости в отношении того, когда именно произошло событие, добавил он.
