Kemisk mærkningsmetode giver ny tilgang til registrering af cellulære aktiviteter

I levende celler forekommer et stort antal forbigående begivenheder samtidigt, hver af dem er vigtige for en given celle i udførelsen af ​​dens funktion. Den trofaste registrering af disse forbigående aktiviteter er en forudsætning for en molekylær forståelse af livet, men det er ekstremt udfordrende at opnå sådanne optagelser.

Forskere ved Max Planck Instituttet for Medicinsk Forskning i Heidelberg og deres samarbejdspartnere har skabt en ny teknologi, der gør det muligt at registrere cellulære hændelser gennem kemisk mærkning med fluorescerende farvestoffer til senere analyse, hvilket åbner helt nye måder at studere cellulær fysiologi på. Den nye metode er nu udgivet i Science .

Registreringen af ​​forbigående cellulære hændelser spiller en afgørende rolle i at undersøge og forstå biologiske processer, men det giver betydelige tekniske udfordringer. En ideel registreringsmetode ville observere store populationer af celler samtidigt, ville virke i reagensglasset og i levende dyr og ville tillade, at de registrerede observationer kan hentes og analyseres på et senere tidspunkt. Hidtil har der stort set manglet metoder, der opfylder disse kriterier:et hul, som den nye teknologi nu kunne bygge bro over.

"Vores teknologi er baseret på et registreringsprotein, som bliver irreversibelt mærket med et fluorescerende farvestof, når en begivenhed af interesse opstår i dets nærhed," forklarer Magnus-Carsten Huppertz, postdoktor ved Institut for Kemisk Biologi ved MPI for Medicinsk Forskning. "Dette gør det muligt for forskere at studere meget store antal celler parallelt ̶ in vivo eller in vitro."

Skelnbare substrater registrerer successive perioder med aktivitet

Holdet, ledet af Kai Johnsson og Julien Hiblot, designede proteiner, der bliver mærket, når en specifik cellulær aktivitet og et fluorescerende substrat er til stede samtidigt. Indvaskningen og udvaskningen af ​​substratet definerer registreringsperioden, mens den cellulære aktivitet bestemmer graden af ​​mærkningen. Desuden kan forskellige faser inden for en aktivitetsperiode registreres ved at bruge skelnelige substrater.

I deres undersøgelser konstruerede optagere til tre forskellige processer af central interesse:receptoraktivering, protein-protein-interaktioner og ændringer i calciumion (Ca ²⁺ ) koncentration. Sidstnævnte blev brugt til at studere heterogeniteten af ​​Ca ²⁺ ændringer i cellulære netværk afledt af glioblastom, en aggressiv hjernetumor.

I tæt samarbejde med grupperne af Lisa Fenk og Herwig Baier ved Max Planck Instituttet for Biologisk Intelligens i Martinsried, har forfatterne med succes registreret mønstre af neuronal aktivitet hos fluer og zebrafisk.

"I sidste ende har vi udviklet en så alsidig optageplatform til parallel analyse af adskillige samtidige forbigående cellulære hændelser in vitro og in vivo," konkluderer Jonas Wilhelm, postdoktor ved samme afdeling.

Den største udfordring, som forskerne stod over for under deres arbejde, var at forfine den nyudviklede optagerplatform for at sikre dens robusthed og effektive ydeevne på tværs af en række biologiske modelsystemer. For at udforske brugen af ​​denne nye teknologi under forskellige forhold etablerede de en række sammensatte eksperimentelle arrangementer.

"Vi er begejstrede for at levere nye molekylære værktøjer med potentiale til at muliggøre nye typer eksperimenter og accelerere forskning på tværs af forskellige områder såsom neurobiologi og onkologi," siger Magnus-Carsten Huppertz og Jonas Wilhelm. "Vi var heldige at kunne samarbejde med forskere fra forskellige discipliner for at gøre denne nye teknologi mulig."

Ud over Max Planck Institute for Biological Intelligence, forskere ved det tyske cancerforskningscenter (DKFZ), National Center for Tumor Diseases (NCT), Heidelberg University, Janelia Research Campus, Virginia, U.S., og École Polytechnique Fédérale de Lausanne ( EPFL), Schweiz bidrog til arbejdet.

Flere oplysninger: Magnus-Carsten Huppertz et al., Registrering af fysiologisk historie for celler med kemisk mærkning, Videnskab (2024). DOI:10.1126/science.adg0812

Leveret af Max-Planck-Institut für medizinische Forschung