Teknologier til enkeltcellet RNA-profilering kan hjælpe med at dissekere de cellulære baser af komplekse sygdomme rundt om i verden

Inden for et givet væv eller organ kan celler forekomme meget ens eller endda identiske. Men på molekylært niveau kan disse celler have små forskelle, der fører til store variationer i deres funktioner.

Alex K. Shalek, en MIT-lektor i kemi, nyder udfordringen med at afdække disse små forskelle. I hans laboratorium udvikler og implementerer forskere teknologier såsom enkeltcellet RNA-sekventering, som lader dem analysere forskelle i genekspressionsmønstre og giver dem mulighed for at finde ud af, hvordan hver celle bidrager til et vævs funktion.

"Enkeltcellet RNA-sekventering er en utrolig kraftfuld måde at undersøge, hvad celler gør på et givet tidspunkt. Ved at se på associationer mellem de forskellige mRNA'er, som celler udtrykker, kan vi identificere virkelig vigtige træk ved et væv - som hvilke celler der er til stede og hvad prøver de celler at gøre," siger Shalek, som også er et kernemedlem af MIT's Institute for Medical Engineering and Science og et ekstramuralt medlem af Koch Institute for Integrative Cancer Research, samt medlem af Ragon Institute of MGH, MIT og Harvard og et institutmedlem af Broad Institute of Harvard og MIT.

Mens hans arbejde fokuserer på at identificere småskalaforskelle, håber han, at det vil få storstilede implikationer, da han søger at bedre forstå globalt vigtige sygdomme som HIV, tuberkulose og kræft.

"Meget af det, vi gør nu, er globalt samarbejde, der virkelig fokuserer på at forstå det cellulære og molekylære grundlag for menneskelige sygdomme - samarbejde med mennesker i over 30 lande på seks kontinenter," siger han. "Jeg elsker grundlæggende arbejde og den præcision, der er mulig i modelsystemer, men jeg har altid været meget motiveret til at forbinde vores videnskab med menneskers sundhed og forstå, hvad der sker i forskellige sygdomme, så vi kan udvikle bedre forebyggelse og helbredelse."

Udforske den fysiske verden

Som studerende på Columbia University hoppede Shalek mellem et par forskellige hovedfag, før han slog sig til på kemisk fysik. Han startede med fysik, fordi han ønskede at forstå de grundlæggende love for, hvordan den fysiske verden fungerer. Men da han kom længere, indså han, at de fleste af de tilgængelige forskningsmuligheder involverede påvisning af højenergipartikler, hvilket ikke appellerede til ham.

Han tog derefter nogle matematikkurser, men følte ikke en reel forbindelse til stoffet, så han skiftede til kemi, hvor han stødte på et kursus, der gav genklang hos ham:statistisk mekanik, som går ud på at bruge statistiske metoder til at beskrive adfærden hos et stort antal atomer eller molekyler.

"Jeg elskede det, fordi det hjalp mig med at forstå, hvordan alle disse regler, som jeg havde lært i fysik om mikroskopiske partikler, faktisk blev oversat til makroskopiske ting i verden omkring mig," siger Shalek.

Slidt over, hvad han ville gøre efter sin eksamen fra college, besluttede han sig for at gå på efterskole. På Harvard University, hvor han fik en ph.d. i kemisk fysik endte han med at arbejde sammen med Hongkun Park, professor i kemi og fysik. Park, der netop havde fået ansættelse for sit arbejde med at måle de optiske og elektroniske egenskaber af enkelte molekyler og nanomaterialer, var i gang med at bygge et nyt program til at studere hjernen. Specifikt ønskede han at finde måder at foretage højpræcisions elektriske målinger af mange neuroner på én gang.

Som den første, der sluttede sig til den nye indsats, fandt Shalek sig selv ansvarlig for at finde ud af, hvordan man laver beregningsmodeller, fremstiller enheder, skriver software til at styre elektronikken, analyserer dataene og mange andre ting, som han ikke vidste, hvordan han skulle gøre. oveni at lære neurobiologi.

"Det var mildest talt udfordrende. Jeg fik et lynkursus i, hvordan man gør en masse forskellige ting," husker han. "Det var en meget ydmygende oplevelse, men jeg lærte meget. Ved at tigge mig ind i forskellige laboratorier rundt omkring i byen på Harvard og MIT, var jeg i stand til at samle tingene op hurtigere. Jeg blev meget tryg ved at tage nye emner op og tackle svære problemer ved at læne sig op ad andre og lære af dem."

Hans indsats førte til udviklingen af ​​flere nye teknologier, herunder arrays af nanotråde, der kunne bruges til at registrere neuronaktivitet samt til at injicere molekyler i individuelle celler uden at skade dem og til at fjerne noget af indholdet af cellerne. Dette viste sig at være særligt nyttigt til at studere immunceller, som normalt modstår andre leveringsmetoder såsom vira.

En individuel tilgang

Shaleks arbejde på ph.d.-skolen stimulerede hans interesse for systembiologi, som involverer omfattende måling af mange aspekter af et biologisk system ved hjælp af genomik og andre teknikker, derefter opbygning af modeller, der tager højde for de observerede målinger, og til sidst testning af modellerne i levende celler ved hjælp af forstyrrelsesteknikker. Men til sin frustration opdagede han ofte, at når han forsøgte at teste en forudsigelse af en model, ville ikke alle cellerne i systemet vise det forventede resultat.

"Der var en masse variation," siger han. "Jeg ville se forskelle i niveauet af mRNA'er eller i ekspressionen eller aktiviteten af ​​proteiner, eller nogle gange ville alle mine celler ikke differentiere til det samme."

Han begyndte at spekulere på, om det ville være umagen værd at forsøge at studere hver enkelt celle i et system, i stedet for den traditionelle tilgang med at lave poolet sekventering af deres mRNA. I løbet af sin postdoc arbejdede han sammen med Park og Aviv Regev, en MIT-professor i biologi og medlem af Broad Institute, for at udvikle teknologier til at sekventere alt det mRNA, der findes i store sæt af individuelle celler. Disse oplysninger kan derefter bruges til at klassificere celler i forskellige typer og afsløre den tilstand, de er i på et givet tidspunkt.

I sit laboratorium på MIT bruger Shalek nu forbedringer, han har været med til at lave til denne tilgang til at analysere mange typer celler og væv og til at studere, hvordan deres identiteter er formet af deres miljøer. Hans seneste arbejde har omfattet undersøgelser af, hvordan kræftcellernes tilstand påvirker respons på kemoterapi, de cellulære mål for SARS-CoV-2-virussen, analyse af celletyper involveret i laktation og identifikation af T-celler, der er klaret til at producere inflammation under allergiske reaktioner.

Et overordnet tema for dette arbejde er, hvordan celler opretholder homeostase, eller den stabile tilstand af fysiske og kemiske forhold i levende organismer.

"Vi ved, hvor vigtig homeostase er, fordi vi ved, at ubalancer kan føre til autoimmune sygdomme og immundefekter eller til vækst af kræftformer," siger Shalek. "Vi ønsker virkelig at definere på cellulært niveau, hvad er balance, hvordan opretholder du balance, og hvordan ændrer forskellige miljøfaktorer som eksponering for forskellige infektioner eller diæter denne balance?"

Shalek siger, at han værdsætter de mange muligheder, han har for at arbejde sammen med andre forskere omkring MIT og Boston-området, foruden sine mange internationale samarbejdspartnere. Da hans laboratorium arbejder med problemer med menneskelig sygdom, sørger han for at hjælpe med at pleje den næste generation af forskere, på samme måde som han var i stand til at modtage træning og mentorordninger som kandidatstuderende og postdoc.

"Hvis du sammensætter den kollektive hjernetillid i dette samfund, samt samarbejder med mennesker over hele verden, kan du gøre utrolige ting," siger Shalek. "Min erfaring lærte mig vigtigheden af ​​at støtte og styrke videnskabsfolk og at forsøge at løfte samfundet, hvilket er meget af det, jeg har fokuseret på. Jeg erkender, at en stor del af min succes har været afhængig af, at folk åbner deres laboratorier og giver mig tid og støtte mig, og så jeg har forsøgt at betale det frem." + Udforsk yderligere

Nye detaljer bag kroppens reaktion på tuberkulose kan føre til en mere effektiv vaccine

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.