Forskare har utvecklat en ny teknik med hjälp av verktyg gjorda av självlysande DNA, lyste upp som eldflugor, att visualisera cellers mekaniska krafter på molekylär nivå. Naturmetoder publicerade verket, ledd av kemister vid Emory University, som demonstrerade sin teknik på mänskliga blodplättar i laboratorieexperiment.

"I vanliga fall, ett optiskt mikroskop kan inte producera bilder som löser upp föremål som är mindre än längden på en ljusvåg, vilket är cirka 500 nanometer, " säger Khalid Salaita, Emory professor i kemi och senior författare till studien. "Vi hittade ett sätt att utnyttja de senaste framstegen inom optisk avbildning tillsammans med våra molekylära DNA-sensorer för att fånga krafter på 25 nanometer. Den upplösningen liknar att vara på månen och se krusningarna som orsakas av regndroppar som träffar ytan av en sjö på jorden ."

Nästan varje biologisk process involverar en mekanisk komponent, från celldelning till blodkoagulering till montering av ett immunsvar. "Att förstå hur celler tillämpar krafter och känselkrafter kan hjälpa till i utvecklingen av nya terapier för många olika störningar, säger Salaita, vars labb är ledande när det gäller att ta fram sätt att avbilda och kartlägga biomekaniska krafter.

De första författarna till tidningen, Joshua Brockman och Hanquan Su, arbetade som Emory -doktorander i Salaita -labbet. Båda tog nyligen sin Ph.D.s.

Forskarna gjorde delar av syntetiskt DNA till molekylära spänningssonder som innehåller dolda fickor. Sonderna är fästa vid receptorer på en cells yta. Fritt flytande bitar av DNA märkta med fluorescens fungerar som avbildare. När de oförankrade bitarna av DNA susar omkring skapar de ljusstrimmor i mikroskopivideor.

När cellen applicerar kraft på ett visst receptorställe, de bifogade sonderna sträcker ut sig vilket gör att deras dolda fickor öppnas och släpper ut rankor av DNA som är lagrade inuti. De fritt flytande bitarna av DNA är konstruerade för att docka på dessa DNA-rankor. När de fluorescerande DNA-bitarna dockar, de är kortvarigt demobiliserade, visas som stilla ljuspunkter i mikroskopivideorna.

Timmar av mikroskopivideo tas av processen, snabbade sedan upp för att visa hur ljuspunkterna förändras med tiden, tillhandahåller en molekylär nivå av cellens mekaniska krafter.

Forskarna använder en eldflugeanalogi för att beskriva processen.

"Tänk dig att du är på ett fält en månlös natt och det finns ett träd som du inte kan se eftersom det är mörkt ut, säger Brockman, som tog examen från Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering, ett gemensamt program för Georgia Tech och Emory, och är nu postdoktor vid Harvard. "Av någon anledning, eldflugor gillar verkligen det trädet. När de landar på alla grenar och längs trädstammen, du kan långsamt bygga upp en bild av trädets konturer. Och om du hade riktigt tålamod, du kan till och med upptäcka grenarna på trädet som vajar i vinden genom att spela in hur eldflugorna ändrar sina landningsplatser över tiden."

"Det är extremt utmanande att avbilda krafterna i en levande cell med hög upplösning, " säger Su, som tog examen från Emory's Department of Chemistry och är nu postdoktor i Salaita-labbet. "En stor fördel med vår teknik är att den inte stör det normala beteendet eller hälsan hos en cell."

En annan fördel, han lägger till, är att DNA-baser av A, G, T och C, som naturligtvis binder till varandra på särskilda sätt, kan konstrueras inom sond-och-avbildningssystemet för att kontrollera specificitet och kartlägga flera krafter samtidigt inom en cell.

"I sista hand, vi kanske kan koppla olika mekaniska aktiviteter i en cell till specifika proteiner eller till andra delar av cellulärt maskineri, " säger Brockman. "Det kan tillåta oss att bestämma hur vi ska ändra cellen för att förändra och kontrollera dess krafter."

Genom att använda tekniken för att avbilda och kartlägga de mekaniska krafterna hos blodplättar, cellerna som kontrollerar blodets koagulering vid platsen för ett sår, forskarna upptäckte att blodplättar har en koncentrerad kärna av mekanisk spänning och en tunn kant som kontinuerligt drar ihop sig. "Vi kunde inte se det här mönstret tidigare men nu har vi en skarp bild av det, " säger Salaita. "Hur kontrollerar dessa mekaniska krafter trombos och koagulation? Vi skulle vilja studera dem mer för att se om de skulle kunna fungera som ett sätt att förutsäga en koaguleringsstörning."

Precis som alltmer kraftfulla teleskop gör att vi kan upptäcka planeter, stjärnor och universums krafter, mer kraftfull mikroskopi tillåter oss att göra upptäckter om vår egen biologi.

"Jag hoppas att den här nya tekniken leder till bättre sätt att visualisera inte bara enskilda cellers aktivitet i en laboratorierätt, men för att lära sig om cell-till-cell-interaktioner under faktiska fysiologiska tillstånd, " säger Su. "Det är som att öppna en ny dörr till ett i stort sett outforskat rike - krafterna inom oss."