Знание точного местоположения перекиси водорода в клетках может помочь ученым лучше понять происходящие там окислительно-восстановительные реакции. Сенсор был разработан исследователями из Технологического института Джорджии, которые продемонстрировали несколько применений его способности пространственно определять присутствие химического вещества внутри клеток.
Новый датчик, известный как HyPer-Tau, модифицирует коммерчески доступный белок, который изменяет его флуоресцентные свойства в присутствии перекиси водорода. Об исследовании, которое проводилось при поддержке Национальных институтов здоровья, было сообщено 20 ноября в журнале Scientific Reports.«Химия клеток, в отличие от более традиционной химии в пробирках, сильно зависит от того, где происходит химическая реакция», — сказала Кристин Пейн, доцент Школы химии и биохимии Технологического института Джорджии и один из старших авторов статьи. «HyPer-Tau — это инструмент, который предоставит нам информацию о том,« где »и« когда »перекись водорода внутри живых клеток».
До разработки новой техники датчики перекиси водорода могли помечать только определенные компоненты клеток или показывать, что клетки содержат окислитель. Однако, чтобы понять роль перекиси водорода в передаче сигналов и окислении, исследователи хотели узнать местонахождение химического вещества с временным разрешением.
«Нам нужен был инструмент, который мог бы различать места, чтобы обеспечить более чем полную информацию об окислении», — сказала Мелисса Кемп, доцент кафедры биомедицинской инженерии Уоллеса Х. Коултера в Технологическом институте Джорджии и Университете Эмори. «Имея очень конкретную пространственную информацию, мы могли бы быть лучше информированы о том, как будут работать клеточные процессы или методы лечения, связанные с окислением».Кемп и Пейн поняли, что, если бы они могли закрепить репортерный белок на микротрубочках — волокнистых структурах, пересекающих клетки, например, на железнодорожных путях, — они могли бы получить необходимую информацию о местоположении.
Другие исследователи уже создали варианты репортерного белка HyPer, поэтому исследователи — вместе с техником Эмили Уоррен, студенткой-исследователем Татьяной Неттерфилд и докторантом Сахели Саркар — приступили к созданию нового инструмента.
Они добавили тубулин-связывающий белок, известный как тау, который соединяет белок HyPer со структурами микротрубочек. Затем флуоресцентная микроскопия позволила им наблюдать изменение флуоресценции в реальном времени по мере того, как в изучаемых ими клетках происходило окисление.
«Подключение репортерного белка позволяет нам получить сетку данных об окислении, происходящем внутри клеток», — сказал Кемп. «Связав белок, мы можем получить очень специфическую субклеточную информацию. Вы можете легко увидеть области с более интенсивным окислением».Она использовала аналогию с дорожным движением, чтобы сравнить информацию, предоставленную новым методом, с информацией, предоставленной более ранним. Более ранние датчики сообщали бы, что движение в центре города было перегружено, в то время как новый датчик мог бы точно определить аварию на определенной улице, вызвавшую задержки.
Последняя информация позволяет предпринять конкретные действия, сказал Кемп.Кемп и Пейн уже использовали этот инструмент для визуализации сигнального процесса, который происходит, когда макрофаги обнаруживают бактерии и движутся, чтобы поглотить и уничтожить захватчиков.«Когда макрофаги активируются, они начинают выбрасывать крошечные структуры, похожие на ноги, которые ищут бактериальный сигнал», — объяснил Кемп. «Для этого им требуется перекись водорода, чтобы контролировать миграцию и другие действия.
Мы можем видеть по этим передним краям, где окисление происходит внутри клеток, обеспечивая беспрецедентное представление о поведении».Объединив несколько изображений, исследователи сняли фильмы, в которых коррелировали производство перекиси водорода с активностью клеток иммунной системы.
В другом приложении датчик использовался для изучения того, как клетки реагируют на введение внеклеточной перекиси водорода, которая вызывает волну окисления при движении через клеточные структуры.«Это дает возможность количественно оценить происходящие внутриклеточные и межклеточные вариации», — пояснил Кемп. «Наша цель — иметь возможность отслеживать в реальном времени происходящие события. Благодаря спектральным характеристикам репортера, вы можете сочетать это с другими типами красителей для мониторинга органелл и различных типов продукции».
Кемп надеется использовать новый датчик, чтобы лучше понять окисление другого типа иммунных клеток, Т-лимфоцитов, поскольку они вступают в контакт с другими клетками, чтобы распознать присутствие вирусов. В исследованиях, которые могут быть важны для понимания воздействия наноразмерных материалов на живые клетки, исследователи работают, чтобы понять предполагаемое окислительное воздействие наночастиц диоксида титана. Новый метод также может быть полезен для понимания того, как стволовые клетки изменяют окислительные свойства во время дифференцировки в другие типы клеток.
В текущем исследовании Неттерфилд работает с Кемпом и Пейном, чтобы объединить существующий метод с другими репортерными белками для получения дополнительной информации.Кемп отметил, что когда-то считалось, что перекись водорода является признаком болезненных процессов, теперь она считается важным сигнальным химическим веществом внутри клеток. Клетки намеренно производят химическое вещество, которое может быстро окислять белки, чтобы изменить их функции.
Перекись водорода также образуется в очагах воспаления, а макрофаги уничтожают болезнетворные микроорганизмы.Сотрудничество между Пейном, физическим химиком, и Кемпом, инженером-биомедиком, демонстрирует, как инновации могут происходить на стыке дисциплин.
«Химия и биомедицинская инженерия предлагают довольно естественное сотрудничество», — сказал Пейн. «Мы оба говорим на одном научном языке и разделяем интерес к разработке новых инструментов, которые сделают возможным развитие новой науки».