Yeni bir yöntem, standart mikroskoplar kullanılarak canlı hücrelerdeki sinyal ağlarının görüntülenmesine olanak tanıyor

Mevcut hücre görüntüleme teknikleri, bir hücre içindeki birkaç farklı molekül tipinin aynı anda incelenmesiyle sınırlıdır. Ancak moleküler sinyalleri daha iyi ölçebilme yeteneği ve hücrelerin moleküler sinyal ağları aracılığıyla bunlara nasıl tepki verdiği, bilim adamlarının hücresel işlevler hakkında daha fazla bilgi edinmesine yardımcı olabilir. Artık araştırmacılar, en az yedi farklı molekülü aynı anda izlemelerine olanak tanıyan yeni bir yöntem geliştirdiler.

Bu çalışma şu tarihte yayınlandı: hücre Kağıtta”Canlı hücrelerdeki dinamik sinyal ağlarının geçici multipleks görüntülemesi“

MIT’de biyolojik mühendislik ve beyin ve bilişsel bilimler profesörü Ph.D. Edward Boyden, “Biyolojide, bir olayın uzun bir olaylar zincirini tetiklediği ve bunun daha sonra belirli bir hücresel fonksiyona yol açtığı birçok örnek vardır” dedi. Howard Hughes MD. Enstitüde araştırmacı olarak MIT’nin McGovern Beyin Araştırmaları Enstitüsü ve Koch Bütünleyici Kanser Araştırmaları Enstitüsü’nün üyesi olmasının yanı sıra K-Lisa Yang Biyonik Merkezi’nin eş direktörüdür. “Bu nasıl oluyor? Bu muhtemelen biyolojideki temel sorunlardan biri, bu yüzden merak ettik, bunun olmasını izleyebilir misiniz?”

Yeni yaklaşım, farklı hızlarda yanıp sönen yeşil veya kırmızı floresan molekülleri kullanıyor. Hücreyi birkaç saniye, dakika veya saat boyunca görüntüleyerek ve her bir floresan sinyalini matematiksel bir algoritma kullanarak çıkararak, her bir hedef proteinin miktarı, zaman içinde değiştikçe takip edilebilir.

Boyden, “İdeal olarak, hücredeki sinyalleri gerçek zamanlı olarak dalgalanırken izleyebilir ve daha sonra bunların birbirleriyle nasıl bir ilişki içinde olduğunu anlayabilirsiniz. Bu size hücrenin nasıl hesaplama yaptığını anlatacaktır” dedi. sorun aynı anda birçok şeyi izleyememenizdir.”

2020’de Boyden’in laboratuvarı, hücrenin farklı yerlerindeki floresan muhabirleri hedef alarak bir hücrenin içindeki beş farklı molekülü aynı anda görüntülemenin bir yolunu geliştirdi. Bu Uzamsal çoğullama yaklaşımı Araştırmacıların, hepsi aynı renkte floresans yayıyor olsalar bile, farklı moleküllerden gelen sinyalleri ayırt etmelerine olanak tanıyor.

Yeni çalışmada araştırmacılar, belirli bir hızda açılıp kapanan floresan proteinler olan “değiştirilebilir floroforlar” yarattılar. Bu değiştirilebilir floroforların her biri, canlı bir hücre içindeki farklı tipte bir molekülü etiketlemek için kullanılabilir. Hücreyi birkaç dakika, saat ve hatta günlerce görüntüledikten sonra araştırmacılar, insan kulağının farklı ses frekanslarını algılayabilmesine benzer şekilde, her bir florofordan gelen spesifik sinyali seçmek için bir matematiksel algoritma kullanıyor.

“Bir senfoni orkestrasında flüt gibi tiz enstrümanlar ve tuba gibi alçak perdeli enstrümanlar bulunur. Ortada da trompet gibi enstrümanlar vardır. Hepsinin farklı sesleri vardır ve kulaklarımız bunları ayıklar, ” dedi Boyden.

Araştırmacılar daha sonra florofor sinyallerini analiz etmek için doğrusal ters evrişimi kullandılar. Bu yöntem çeşitli florofor sinyallerini çıkarabilir. Bu analiz tamamlandıktan sonra araştırmacılar, tüm görüntüleme süresi boyunca floresan etiketli moleküllerin her birinin hücrede ne zaman ve nerede bulunduğunu görebilirler. Görüntülemenin kendisi, özel bir ekipmana ihtiyaç duymadan basit bir optik mikroskop kullanılarak gerçekleştirilebilir.

Araştırmacılar, memeli hücrelerinde hücre bölünmesi döngüsünde yer alan altı farklı molekülü etiketleyerek yaklaşımlarını gösterdiler. Bu, hücre döngüsü boyunca hücre ilerledikçe sikline bağımlı kinazlar adı verilen enzim seviyelerinin nasıl değiştiğine ilişkin kalıpları tanımlamalarına olanak sağladı.

Araştırmacılar ayrıca hücre sinyallemesinin hemen hemen her alanında yer alan diğer kinaz türlerinin yanı sıra hücre iskeleti ve mitokondri gibi hücre yapıları ve organellerini de sınıflandırabildiklerini gösterdi. Ayrıca araştırmacılar bu tekniğin zebra balığı larvalarının beyinlerinde de işe yarayabileceğini gösterdi.

Araştırmacılara göre bu yöntem, hücrelerin besinler, bağışıklık sistemi faktörleri, hormonlar veya nörotransmiterler gibi her türlü girdiye nasıl tepki verdiğini izlemek için yararlı olabilir. Ayrıca hücrelerin gen ifadesindeki değişikliklere veya genetik mutasyonlara nasıl tepki verdiğini incelemek için de kullanılabilir. Tüm bu faktörler; gelişim, yaşlanma, kanser, nörodejenerasyon, hafıza oluşumu gibi biyolojik olaylarda önemli rol oynamaktadır.

Boyden, “Tüm bu fenomenlerin, bir besin maddesini yemek, bir şeyler öğrenmek veya enfeksiyona yakalanmak gibi kısa vadeli bir olayın uzun vadeli bir değişimi tetiklediği genel bir biyolojik problem sınıfını temsil ettiğini düşünebilirsiniz” dedi.

Boyden’in laboratuvarı, bu tür çalışmaları sürdürmenin yanı sıra, hücre içindeki daha fazla sinyali inceleyebilmek için değiştirilebilir floroforların deposunu genişletmeye de çalışıyor. Ayrıca sistemi fare modellerinde kullanılabilecek şekilde uyarlamayı da umuyorlar.