I levande celler inträffar ett stort antal övergående händelser samtidigt, var och en av dem är viktiga för en given cell för att utföra sin funktion. En trogen inspelning av dessa övergående aktiviteter är en förutsättning för en molekylär förståelse av livet, men det är extremt utmanande att få tag på sådana inspelningar.
Forskare vid Max Planck-institutet för medicinsk forskning i Heidelberg och deras samarbetspartners har skapat en ny teknik som gör det möjligt att registrera cellulära händelser genom kemisk märkning med fluorescerande färgämnen för senare analys, vilket öppnar upp helt nya sätt att studera cellfysiologi. Den nya metoden har nu publicerats i Science .
Registreringen av övergående cellulära händelser spelar en avgörande roll för att undersöka och förstå biologiska processer, men det innebär betydande tekniska utmaningar. En idealisk registreringsmetod skulle observera stora populationer av celler samtidigt, skulle fungera i provröret och i levande djur, och skulle tillåta de registrerade observationerna att hämtas och analyseras vid ett senare tillfälle. Hittills har metoder som uppfyller dessa kriterier till stor del saknats:ett gap som den nya tekniken nu skulle kunna överbrygga.
"Vår teknologi är baserad på ett registreringsprotein som blir irreversibelt märkt med ett fluorescerande färgämne när en händelse av intresse inträffar i dess närhet", förklarar Magnus-Carsten Huppertz, postdoktor vid institutionen för kemisk biologi vid MPI för medicinsk forskning. "Detta gör det möjligt för forskare att studera ett mycket stort antal celler parallellt ̶ in vivo eller in vitro."
Teamet, ledd av Kai Johnsson och Julien Hiblot, designade proteiner som blir märkta när en specifik cellulär aktivitet och ett fluorescerande substrat är närvarande samtidigt. Intvättningen och uttvättningen av substratet definierar registreringsperioden, medan den cellulära aktiviteten bestämmer graden av märkningen. Genom att använda särskiljbara substrat kan dessutom olika faser inom en aktivitetsperiod registreras.
I sina studier konstruerade registreringsenheter för tre olika processer av centralt intresse:receptoraktivering, protein-protein-interaktioner och förändringar i kalciumjoner (Ca 2+ ) koncentration. Den senare användes för att studera heterogeniteten hos Ca 2+ förändringar i cellulära nätverk härrörande från glioblastom, en aggressiv hjärntumör.
I nära samarbete med grupperna av Lisa Fenk och Herwig Baier vid Max Planck Institute for Biological Intelligence i Martinsried, registrerade författarna framgångsrikt mönster av neuronaktivitet hos flugor och zebrafiskar.
"I slutändan har vi utvecklat en så mångsidig inspelningsplattform för parallell analys av många samtidiga transienta cellulära händelser in vitro och in vivo", avslutar Jonas Wilhelm, postdoktor vid samma institution.
Den största utmaningen som forskarna ställdes inför under sitt arbete var att förfina den nyutvecklade brännarplattformen för att säkerställa dess robusthet och effektiva prestanda över en rad biologiska modellsystem. För att utforska användningen av denna nya teknologi under olika förhållanden, etablerade de en mängd sammansatta experimentella arrangemang.
"Vi är glada över att tillhandahålla nya molekylära verktyg med potential att möjliggöra nya typer av experiment och påskynda forskning inom olika områden som neurobiologi och onkologi", säger Magnus-Carsten Huppertz och Jonas Wilhelm. "Vi hade turen att kunna samarbeta med forskare från olika discipliner för att göra denna nya teknik möjlig."
Förutom Max Planck Institute for Biological Intelligence, forskare vid German Cancer Research Center (DKFZ), National Center for Tumor Diseases (NCT), Heidelberg University, Janelia Research Campus, Virginia, U.S., och École Polytechnique Fédérale de Lausanne ( EPFL), Schweiz bidrog till arbetet.
Mer information: Magnus-Carsten Huppertz et al, Registrering av fysiologisk historia av celler med kemisk märkning, Science (2024). DOI:10.1126/science.adg0812
Tillhandahålls av Max-Planck-Institut für medizinische Forschung
