Результаты были опубликованы в выпуске The Proceedings of the National Academy of Sciences от 9 июля.Белки выполняют почти все важные биологические функции. Синтез новых белков является ключевым этапом экспрессии генов и основным процессом, с помощью которого клетки быстро реагируют на сигналы окружающей среды в физиологических и патологических состояниях, таких как рак, аутизм и окислительный стресс. Протеом клетки (то есть сумма всех белков клетки) очень динамичен и жестко регулируется как синтезом, так и удалением белка для поддержания гомеостаза и обеспечения нормального функционирования организма.
Многие сложные биологические процессы, такие как рост клеток, дифференциация и заболевания, включают синтез нового белка в определенном месте и в определенное время. В частности, долговременная нейронная пластичность (изменения в нервных путях и синапсах, которые происходят из-за изменений в поведении, окружающей среде и телесных повреждениях), например, лежащие в основе обучения и долговременной памяти, требуют синтеза нового белка в определенном месте и во времени. зависимым образом внутри нейронов.Новый метод Мин и его коллег использует дейтерий (более тяжелый родственник нормального атома водорода), который был впервые обнаружен Гарольдом Юри в 1932 году также в Колумбийском университете. Когда водород заменяется дейтерием, биохимическая активность аминокислот меняется очень мало.
При добавлении в питательную среду для культивирования клеток эти меченые дейтерием аминокислоты включаются естественными клеточными механизмами в качестве необходимых строительных блоков для производства нового белка. Следовательно, только недавно синтезированные живыми клетками белки будут нести особые атомы дейтерия, связанные с атомами углерода.
Связи углерод-дейтерий колеблются с определенной частотой, отличной от почти всех естественных химических связей, существующих внутри клеток.Команда из Колумбии использовала новую технику, называемую микроскопией стимулированного комбинационного рассеяния (SRS), чтобы выявить уникальное колебательное движение углерод-дейтериевых связей, переносимых недавно синтезированными белками. Они обнаружили, что при быстром сканировании сфокусированного лазерного пятна по образцу, точка за точкой, SRS микроскопия способна предоставить зависящие от местоположения карты концентрации связей углерод-дейтерий внутри живых клеток.
«Включение меченных дейтерием аминокислот в новые белки минимально разрушительно, и их биохимические свойства почти идентичны их естественным аналогам», — говорит Лу Вэй, ведущий автор статьи. «Наша методика очень чувствительна, специфична и совместима с живыми системами в физиологических условиях, которые не требуют уничтожения клеток или окрашивания».До этого открытия возможность наблюдать синтез белка в живых клетках ускользала от ученых, которые приложили огромные усилия для достижения этой цели.
Классическая стратегия, которая включает метку аминокислот радиоизотопами для отслеживания и количественной оценки динамики протеома, требует, чтобы образцы были убиты и подвергнуты воздействию пленок. Флуоресцентная микроскопия, еще один популярный метод, использует естественное свечение зеленого флуоресцентного белка (GFP) для отслеживания белка.
Хотя этот процесс действительно работает с отдельными белками, ученые не могут наблюдать весь протеом клетки. Третий метод, мечение биоортогональных неканонических аминокислот (BONCAT), метаболически включает неприродные (биосинтетические) аминокислоты, содержащие реактивные химические группы. Однако этот метод обычно требует уничтожения клеток и последующего окрашивания красителем — процесс, который представляет проблему для живых тканей и животных. Таким образом, чрезвычайно сложно и желательно получить количественное изображение синтеза протеома в живых клетках, тканях и животных с высоким разрешением.
Исследование Мин открывает дверь для нового метода изучения живых клеток, предоставляя возможность понять ранее оставшиеся без ответа вопросы о поведении клеток при выполнении ими своих функций.Следующим шагом команды Мин является определение того, где и когда в тканях мозга вырабатывается новый белок, когда животное подвергается различным лабораторным упражнениям для формирования долговременной памяти. «Наша новая методика значительно облегчит понимание молекулярных механизмов многих сложных форм поведения, таких как обучение и болезни», — говорит он.