Forskare har fått en mängd nyckelinformation om proteiner, alla cellers molekylära arbetshästar, från enstaka mänskliga celler för första gången.

Lagret av information om proteiner - de mest sådana data som någonsin samlats in från en enda däggdjurscell - ger forskare en av deras tydligaste blickar hittills på de molekylära händelserna inuti en mänsklig cell. Sådana data kan avslöja om en cell är en oseriös cancercell, en felaktig bukspottkörtelcell involverad i diabetes, eller en molekylär spelare som är viktig för en preemies överlevnad.

Dessa händelser och många fler bestäms av verkan av proteiner i celler. Tills nu, Det var svårt att få detaljerad information om proteiner inuti enskilda celler. Den råa "data - mängden av varje protein - i en cell är utomordentligt liten och svår att mäta. Det beror till stor del på att forskare inte kan förstärka proteiner på samma sätt som gener eller andra molekylära budbärare.

Nu, i en studie publicerad i Angewandte Chemie , forskare från Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory, arbeta med motsvarigheter vid University of Rochester Medical Center, visa hur de kunde lära sig en oöverträffad mängd information om proteinerna i prover av enstaka mänskliga lungceller.

Forskarna analyserade enstaka celler, först från odlade celler och sedan från lungorna hos en mänsklig donator, och detekterade i genomsnitt mer än 650 proteiner i varje cell – många gånger fler än konventionella tekniker som fångar in från enstaka celler.

Laget, inklusive analytiska kemister Ying Zhu och Ryan Kelly och biokemisterna Geremy Clair och Charles Ansong, gjorde fynden tack vare en teknologi skapad på EMSL, the Environmental Molecular Sciences Laboratory, en DOE Office of Science-användaranläggning belägen på PNNL. Teamet utvecklade tekniken, kallas nanoPOTS, att mäta proteiner i en liten, nästan ofattbar mängd material.

"NanoPOTS är som ett molekylärt mikroskop som låter oss analysera prover som är 500 gånger mindre än vi kunde se tidigare, sa Kelly, motsvarande författare till tidningen. "Vi kan identifiera fler proteiner i en cell än vad som tidigare kunde identifieras från en grupp på hundratals celler."

Det är viktigt av ett par anledningar. Vissa proteiner utövar ett enormt inflytande i en cell, kanske avgöra om cellen kommer att leva, dö, mutera eller resa till en annan del av kroppen, även när de är på mycket låga nivåer som inte går att upptäcka med dagens metoder.

Dessutom, konventionell teknik analyserar vanligtvis hundratals eller tusentals celler, slå samman dem i en batch för analys. Dessa fynd representerar en genomsnittlig bild av vad som händer i den vävnaden; det finns liten insikt om vad som faktiskt händer i en specifik cell. Det är ett problem om det finns variation från cell till cell - om vissa celler beter sig normalt medan andra celler är cancerösa, till exempel.

I den aktuella studien, teamet analyserade proteinerna i ett prov av vätska som är mindre än en tiotusendel av en tesked. Inom det provet, proteinerna uppgick till bara 0,15 nanogram – mer än tio miljoner gånger mindre än vikten av en typisk mygga.

När forskare väl har fått tag på en sådan värdefull vara – insidan av en enda mänsklig cell – tar de den igenom ett antal bearbetningssteg för att förbereda sig för analys. Men att arbeta med ett så litet prov har utgjort betydande vägspärrar för encellsanalys. När materialet överförs från ett provrör till ett annat, från maskin till maskin, en del av provet går förlorat i varje steg. När det ursprungliga provet inte uppgår till mer än en mikroskopisk droppe, Att förlora ens en liten bit av provet är katastrofalt.

Zhu och Kelly utvecklade nanoPOTS, som står för nanodroplet Processing in One pot för Trace Samples, för att ta itu med detta problem med provförlust. Tekniken är en automatiserad plattform för att fånga, växling, testa och mäta små mängder vätska. Nycklar till tekniken inkluderar en robot som dispenserar vätskan till en plats med en noggrannhet på en miljondels meter, rör sig mellan små brunnar som minimerar mängden ytarea på vilken proteiner kan glom.

Inuti dessa små brunnar, forskare kör flera steg för att isolera proteinerna från resten av provet. Sedan, materialet matas in i en masspektrometer som separerar och mäter vart och ett av hundratals proteiner.

Allt sagt, tekniken minskar provförlusterna med mer än 99 procent jämfört med andra teknologier, ge forskarna tillräckligt med det knappa materialet för att göra meningsfulla mätningar – för att avgöra vilka proteiner som är på höga nivåer och vilka som är på låga nivåer. Det är viktig information när man jämför, till exempel, hjärnceller från en person med Alzheimers sjukdom till de från en person som inte är drabbad, eller titta på celler som är cancerösa jämfört med närliggande celler som är friska.