Nowa technika mikroskopii w podczerwieni zastosowana w IST umożliwia szczegółowe obrazowanie biomolekuł w komórkach, wspierając postęp w biotechnologii i terapiach komórkowych.
Starając się wprowadzać innowacje biotechnologiczne, naukowcy pracują nad szybszymi, bardziej ilościowymi i bardziej dostępnymi sposobami obserwacji biomolekuł w żywych komórkach.
Teraz naukowcy z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) opracowali nową metodę, która umożliwia wykorzystanie światła podczerwonego (IR) do rejestrowania wyraźnych obrazów biomolekuł wewnątrz komórek, co wcześniej nie było możliwe ze względu na tendencję woda w komórkach pochłaniająca promieniowanie podczerwone.
Nowa metoda NIST usuwa zaciemniający wpływ wody w pomiarach opartych na podczerwieni i pozwala naukowcom określić ilość kluczowych biomolekuł w komórkach, takich jak białka kierujące funkcjonowaniem komórek. Możliwość pomiaru zmian w żywych komórkach może przyspieszyć postępy w bioprodukcji, rozwoju terapii komórkowych, opracowywaniu leków i nie tylko.
Ich odkrycia zostały opublikowane w Chemia analityczna.
Zrozumienie mikroskopii w podczerwieni i jej wyzwań
Promieniowanie podczerwone to światło wykraczające poza zakres widzialny dla ludzkiego oka. Chociaż światła podczerwonego nie widzimy, możemy je odczuć w postaci ciepła. W mikroskopii IR materiał będący przedmiotem zainteresowania pochłania promieniowanie z zakresu długości fal w widmie IR. Naukowcy mierzą i analizują widmo absorpcji podczerwieni próbki, tworząc zestaw „odcisków palców” umożliwiających identyfikację cząsteczek i innych struktur chemicznych. Jednakże woda, cząsteczka występująca najczęściej zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz komórek, silnie pochłania podczerwień i maskuje absorpcję podczerwieni z innych biomolekuł w komórkach.
Jednym ze sposobów zrozumienia tego efektu maskowania optycznego jest porównanie go z sytuacją, gdy samolot przelatuje nad głową obok Słońca. Gołym okiem trudno jest dostrzec samolot ze względu na Słońce, ale jeśli zastosujemy specjalny filtr blokujący Słońce, bez problemu dostrzeżemy samolot na niebie.
„W widmie woda tak silnie absorbuje podczerwień, a my chcemy zobaczyć widmo absorpcji białek przez gęste tło wody, dlatego zaprojektowaliśmy system optyczny, aby odsłonić udział wody i ujawnić sygnały białek” – powiedział chemik NIST Young Jong Zawietrzny.
Zaawansowana analiza komórkowa za pomocą SAC-IR
Lee opracował opatentowaną technikę wykorzystującą element optyczny do kompensacji absorpcji wody z podczerwieni. Technikę tę, zwaną kompensacją absorpcji rozpuszczalnika (SAC), zastosowano przy użyciu ręcznie zbudowanego mikroskopu laserowego na podczerwień do obrazowania komórek wspomagających tworzenie tkanki łącznej, zwanych komórkami fibroblastów. W ciągu 12-godzinnej obserwacji badacze byli w stanie zidentyfikować grupy biomolekuł (białka, lipidy i kwasy nukleinowe) na etapach cyklu komórkowego, takich jak podział komórki. Choć może się to wydawać długim czasem, metoda ta jest ostatecznie szybsza niż obecne alternatywy, które wymagają czasu wiązki w dużym obiekcie synchrotronowym.
Ta nowa metoda, zwana SAC-IR, nie wymaga etykiet, co oznacza, że nie wymaga żadnych barwników ani markerów fluorescencyjnych, które mogą uszkodzić komórki, a także dawać mniej spójne wyniki w różnych laboratoriach.
Metoda SAC-IR umożliwiła naukowcom NIST zmierzenie bezwzględnej masy białek w komórce, oprócz kwasów nukleinowych, lipidów i węglowodanów. Technika ta może pomóc w stworzeniu podstaw pod standaryzację metod pomiaru biomolekuł w komórkach, które mogą okazać się przydatne w biologii, medycynie i biotechnologii.
„Na przykład w terapii komórkami nowotworowymi, gdy komórki układu odpornościowego pacjenta są modyfikowane, aby lepiej rozpoznawały i zabijały komórki nowotworowe przed ponownym wprowadzeniem ich do organizmu pacjenta, należy zadać sobie pytanie: «Czy te komórki są bezpieczne i skuteczne?». Nasza metoda może być pomocna, zapewniając dodatkowy wgląd w zmiany biomolekularne w komórkach w celu oceny ich stanu zdrowia” – powiedział Lee.
Inne potencjalne zastosowania obejmują wykorzystanie komórek do badań przesiewowych leków przy odkrywaniu nowych leków lub zrozumieniu bezpieczeństwa i skuteczności kandydata na lek. Na przykład metoda ta może pomóc w ocenie siły działania nowych leków poprzez pomiar bezwzględnego stężenia różnych biomolekuł w dużej liczbie pojedynczych komórek lub analizę reakcji różnych typów komórek na leki.
Przyszłe zastosowania i ulepszenia
Naukowcy mają nadzieję dalej rozwijać tę technikę, aby umożliwić pomiar innych kluczowych biomolekuł, takich jak DNA I RNAz większym dokładność. Technika ta może również pomóc w uzyskaniu szczegółowych odpowiedzi na podstawowe pytania biologii komórki, takie jak to, jakie sygnatury biomolekuł odpowiadają żywotności komórki, innymi słowy, czy komórka jest żywa, umiera czy martwa.
„Niektóre komórki są przechowywane w stanie zamrożonym przez miesiące lub lata, a następnie rozmrażane do późniejszego wykorzystania. Nie rozumiemy jeszcze w pełni, jak najlepiej rozmrozić komórki przy zachowaniu maksymalnej żywotności. Dzięki naszym nowym możliwościom pomiarowym być może będziemy w stanie opracować lepsze procesy zamrażania i rozmrażania komórek, obserwując ich widma w podczerwieni” – powiedział Lee.
Odniesienie: „Benchtop IR Imaging of Live Cells: Monitoring the Total Mass of Biomolecules in Single Cells” autorstwa Yow-Ren Chang, Seong-Min Kim i Young Jong Lee, 4 września 2024 r., Chemia analityczna.
DOI: 10.1021/acs.analchem.4c02108
