De fleste proteinoplysninger, der nogensinde er fanget fra en enkelt celle takket være ny nanoPOTS-teknologi

Forskere har fået en række nøgleoplysninger om proteiner, alle cellers molekylære arbejdsheste, fra enkelte menneskelige celler for første gang.

Lagret af information om proteiner - de mest sådanne data, der nogensinde er indsamlet fra en enkelt pattedyrscelle - giver videnskabsmænd et af deres klareste blik endnu på de molekylære hændelser inde i en menneskelig celle. Sådanne data kan afsløre, om en celle er en slyngelkræftcelle, en fejlfungerende pancreascelle involveret i diabetes, eller en molekylær spiller, der er vigtig for en præemies overlevelse.

Disse begivenheder og mange flere bestemmes af proteinernes handlinger i celler. Indtil nu, detaljerede oplysninger om proteiner inde i enkeltceller var svære at finde. De rå "data - mængden af ​​hvert protein - i en celle er ekstraordinært sparsomme og svære at måle. Det skyldes i høj grad, at videnskabsmænd ikke kan forstærke proteiner, som de kan gener eller andre molekylære budbringere.

Nu, i en undersøgelse offentliggjort i Angewandte Chemie , forskere fra Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory, arbejder med kolleger ved University of Rochester Medical Center, vise, hvordan de var i stand til at lære en hidtil uset mængde information om proteinerne i prøver af enkelte menneskelige lungeceller.

Forskerne analyserede enkeltceller, først fra dyrkede celler og derefter fra lungerne af en menneskelig donor, og detekterede i gennemsnit mere end 650 proteiner i hver celle - mange gange flere end konventionelle teknikker indfanger fra enkeltceller.

Holdet, herunder analytiske kemikere Ying Zhu og Ryan Kelly og biokemikerne Geremy Clair og Charles Ansong, gjort resultaterne takket være en teknologi skabt på EMSL, det miljømolekylære laboratorium, en DOE Office of Science brugerfacilitet placeret på PNNL. Teamet udviklede teknologien, kaldet nanoPOTS, at måle proteiner i en lillebitte, næsten ufattelig mængde materiale.

"NanoPOTS er som et molekylært mikroskop, der giver os mulighed for at analysere prøver, der er 500 gange mindre, end vi kunne se før, " sagde Kelly, den tilsvarende forfatter til avisen. "Vi kan identificere flere proteiner i en celle, end vi tidligere kunne identificere fra en gruppe på hundredvis af celler."

Det er vigtigt af et par grunde. Nogle proteiner udøver enorm indflydelse i en celle, måske bestemme om cellen vil leve, dø, mutere eller rejse til en anden del af kroppen, selv når de er på meget lave niveauer, som er uopdagelige ved hjælp af nutidens metoder.

Ud over, konventionelle teknologier analyserer typisk hundreder eller tusinder af celler, samle dem i én batch til analyse. Disse fund repræsenterer et gennemsnitligt billede af, hvad der sker i det væv; der er ringe indsigt i, hvad der faktisk sker i en bestemt celle. Det er et problem, hvis der er variation fra celle til celle - hvis nogle celler opfører sig normalt, mens andre celler er kræftfremkaldende, for eksempel.

I den aktuelle undersøgelse, holdet analyserede proteinerne i en prøve af væske, der er mindre end en ti tusindedel af en teskefuld. Inden for denne prøve, proteinerne udgjorde kun 0,15 nanogram - mere end ti millioner gange mindre end vægten af ​​en typisk myg.

Når først videnskabsmænd har fået hænderne på sådan en værdifuld vare - det indre af en enkelt menneskelig celle - sætter de den igennem et batteri af behandlingstrin for at forberede sig til analyse. Men arbejdet med en så lille prøve har udgjort væsentlige vejspærringer for enkeltcelleanalyse. Når materialet overføres fra et reagensglas til et andet, fra maskine til maskine, noget af prøven går tabt på hvert trin. Når den originale prøve ikke udgør mere end en mikroskopisk dråbe, at miste selv en lille smule af prøven er katastrofalt.

Zhu og Kelly udviklede nanoPOTS, som står for nanodroplet Processing in One pot for Trace Samples, at løse dette problem med prøvetab. Teknologien er en automatiseret platform til at fange, rangering, test og måling af små mængder væske. Nøgler til teknologien omfatter en robot, der dispenserer væsken til et sted med en nøjagtighed på en milliontedel meter, bevæger sig mellem små brønde, der minimerer mængden af ​​overfladeareal, som proteiner kan glom på.

Inden i de små brønde, forskere kører flere trin for at isolere proteinerne fra resten af ​​prøven. Derefter, materialet føres ind i et massespektrometer, som udskiller og måler hver af hundredvis af proteiner.

Alt i alt, teknologien reducerer prøvetab med mere end 99 procent sammenlignet med andre teknologier, at give forskerne nok af det sparsomme materiale til at foretage meningsfulde målinger - for at fortælle, hvilke proteiner der er i høje niveauer, og hvilke der er i lave niveauer. Det er vital information, når man sammenligner, for eksempel, hjerneceller fra en person med Alzheimers sygdom til dem fra en person, der ikke er ramt, eller ser på celler, der er kræftfremkaldende sammenlignet med nærliggende celler, der er sunde.