Если вы исследователь, который хочет увидеть, как ведут себя всего несколько клеток в организме, это непростая задача. Человеческое тело содержит приблизительно 37 триллионов клеток. У плодовой мухи, порхающей вокруг перезрелых бананов на прилавке, может быть 50 000 клеток. Даже Caenorhabditis elegans, крошечный червь, обычно используемый в биологических исследованиях, может иметь до 3000 клеток. Итак, как вы отслеживаете пару микроскопических пятнышек среди всего этого? Ученые, работающие в лаборатории Калифорнийского технологического института, нашли способ.
В новом методе используются так называемые акустические репортерные гены, разработчиком которых был один из руководителей команды. Чтобы понять акустические репортерные гены, сначала знайте, что репортерные гены — это специализированный фрагмент ДНК, который исследователи могут вставить в геном организма, чтобы помочь им понять, что он делает. Исторически репортерные гены кодировали флуоресцентные белки. Например, если исследователь вставляет один из этих репортерных генов рядом с геном, который он хочет изучить, — скажем, геном, отвечающим за развитие нейронов, — активация этих генов нейронов также будет производить молекулы флуоресцентного белка. Когда на эти ячейки попадает правильный свет, они загораются, как маркер, который может пометить определенный отрывок в книге.
Однако у этих флуоресцентных репортерных генов есть большой недостаток: свет не проникает очень далеко через живые ткани. Итак, ученые разработали репортерные гены, которые используют звук вместо света. Эти гены, вставленные в геном клетки, вызывают образование микроскопических полых белковых структур, известных как газовые везикулы. Эти пузырьки обычно обнаруживаются у некоторых видов бактерий, которые используют их, чтобы оставаться на плаву в воде, но они также обладают полезным свойством «звенеть» при ударе ультразвуковыми волнами.
Идея состоит в том, что когда клетка, производящая эти везикулы, визуализируется с помощью ультразвука, она посылает акустический сигнал, сообщающий о своем присутствии, позволяя исследователям видеть, где она находится и что делает. Этот метод использовался для демонстрации активности ферментов в клетках в предыдущей работе лаборатории.
В своей последней статье исследовательская группа описывает, как она настолько увеличила чувствительность этой техники, что теперь она может отображать одну клетку, расположенную в тканях тела, которая несет акустический репортерный ген.
Их усовершенствования представляют собой увеличение более чем в 1000 раз чувствительности по сравнению с предыдущей техникой, которую они использовали для визуализации клеток, несущих акустические репортерные гены. Разница заключается в том, какой ультразвук они используют, и в том, как на него реагируют газовые пузырьки.
В то время как предыдущая методика визуализации полагалась на везикулы, звенящие, как колокольчик, в который ударили, в новом методе используется более сильный ультразвук, который "выскакивает" везикулы, как воздушный шар.
Это пятно настолько четкое, что исследователи могут легко его обнаружить даже на фоне всего фонового шума, создаваемого ультразвуком, проникающим через ткани. Ученые говорят, что недавняя работа над созданными штаммами инъекционных бактерий, которые атакуют раковые клетки, или бактерии, "возвращающие опухоль", создает потребность в лучших способах отслеживания этих клеток, чтобы увидеть, в какую часть тела они попадают. Исследователи показали, что когда бактерии были сконструированы так, чтобы нести ген газовых везикул, можно было отслеживать отдельные бактериальные клетки, когда они проникали в печень и перемещались по ней после попадания в кровоток.
Такой уровень чувствительности необходим, если исследователи хотят использовать ультразвук для изучения состава кишечного микробиома, который в случае нарушения может влиять на такие состояния, как болезнь Альцгеймера и аутизм.
Вредят ли везикулы внутри клеток? Нет, не совсем. Ученые говорят, что бывают случаи, когда отдельные бактериальные клетки, которые очень малы и имеют очень большое количество этих газовых пузырьков, повреждаются, но это не имеет большого значения для бактериальной популяции, если некоторые из них становятся менее жизнеспособными. А в клетках млекопитающих исследователи не увидели отрицательного эффекта.