Известно, что для изучения строения клеток и тканей используется оптическая, электронная микроскопия и рентгеновское излучение. В наши дни не составляет труда как визуализация клеток нервной ткани головного мозга, так и определение сокращения кардиомиоцитов у мышиных эмбрионов.
Ответа на вопрос ,что же происходит в клетках на генном уровне с помощью микроскопии, найти до сих пор не удавалось.
Биофизик Джошуа Вайнштейн (Joshua Weinstein) и его коллеги изобрели нестандартный тип визуализации, получивший название «ДНК-микроскопия». Вместо того чтобы полагаться на оптические методы, команда решила использовать так называемые «ДНК штрих-коды» для определения относительного положения молекул в образце.
По мнению Ванштейна, с помощью ДНК-микроскопии ученые могут построить картину функционирования клеток и накопить огромное количество информации о геноме.
Вайнштейн проводил исследования совместно с ученым Медицинского института Говарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute (HHMI)) Авивом Регев (Aviv Regev) и молекулярным биологом Фэном Чжан (Feng Zhang), о чем сообщается в журнале Cell.
«Это совершенно новая категория микроскопии», - делится Регев. «Она позволяет делать то, о чем мы и не могли думать раньше».
Нечто новое
Условно микроскопию можно разделить на две основные категории. Один метод основан на применении оптики. Например, световая микроскопия начала свое применение в 1600-х годах, она предполагает использование видимого света для изучения клеток и тканей. Электронная, флуоресцентная, световая микроскопия - все они основаны на принципе излучения фотонов или электронов.
Вторая категория базируется на изучении срезов образцов ткани. С помощью компьютерных программ происходит сканирование исследуемой ткани и моделирование цельного изображения. Такой метод может быть полезным в изучении генетической информации.
Вайнштейн и его коллеги из Массачусетского Технологического института (Massachusetts Institute of Technology) хотели «убить двух зайцев» - сделать изображение положения клетки и описать конкретные генетические последовательности, управляющие ею.
Это важно для исследователей, изучающих генетически обусловленное различие клеток. По мнению Вайнштейна, прекрасным примером для изучения является иммунная система. Гены иммунных клеток могут варьировать вплоть до однобуквенного сокращения ДНК. Каждое изменение может вызвать резкое изменение антител, которые производит клетка.
«Невозможно представить полную картину клетки, если фокусироваться только на одном или другом», - утверждает Вайнштейн.
Как это работает
«Новый метод не предполагает использования дорогостоящего оборудования», - утверждает Регев. «Все, что нужно для начала, - это образец ткани и пипетка».
Сначала ученые берут клетки, выращенные в лаборатории, и фиксируют их в реакционной камере. Затем они добавляют набор штрих-кодов ДНК. Они взаимодействуют с молекулами РНК, давая каждой уникальную метку. Затем проводят химическую реакцию, чтобы сделать больше копий каждой помеченной молекулы.
«Представьте, что каждая молекула – это радиовышка, и она передает сигнал», - предлагает Вайнштейн.
В конце концов, меченые молекулы сталкиваются с другими мечеными молекулами, заставляя их соединяться попарно. Молекулы, расположенные близко друг к другу, будут чаще сталкиваться, создавая больше пар ДНК. Молекулы, между которыми большее расстояние, будут образовывать меньше пар.
Аппарат ДНК-секвенирования определяет буквы каждой молекулы в образце, что занимает до 30 часов. Затем данные декодируются и представляют собой примерно 50 миллионов букв генетической последовательности из каждого исходного образца. После происходит преобразование данных в изображения.
«В основном можно точно восстановить то, что визуализируется при световой микроскопии», - поясняет Вайнштейн и добавляет, что оба эти метода дополняют друг друга.
Световая микроскопия помогает увидеть молекулы даже при разрежении их в образце, а ДНК-микроскопия лучше работает, когда молекулы расположены слишком близко друг к другу.
По мнению ученых, микроскопия ДНК может позволить ускорить разработку методов иммунотерапии, которая эффективна при онкологических заболеваниях. «Можно будет идентифицировать иммунные клетки, наиболее подходящие для таргетной терапии конкретной раковой клетки», - утверждает Вайнштейн.
«Каждая клетка имеет уникальный генотип. Путем захвата информации сразу от изучаемых молекул, микроскопия ДНК раскрывает детальное понимание генотипа и фенотипа», - делится опытом Чжан.
«Возможности ДНК - микроскопии очень широки», - добавляет Регев. «Мы надеемся, что это станет предпосылкой для великих идей и открытий».
Источник перевода: https://www.sciencedaily.com
