Πολλές πολυπληθείς βιομοριακές δομές σε κύτταρα και ιστούς είναι απρόσιτες για την επισήμανση αντισωμάτων. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι πρωτεΐνες μέσα σε αυτές τις δομές είναι διατεταγμένες με ακρίβεια νανοκλίμακας απαιτεί αυτές οι δομές να αποσυμπιεστούν πριν από την επισήμανση.
Μερικές φορές αυτές οι δομές μπορεί να είναι δύσκολο να απεικονιστούν επειδή οι φθορίζουσες ετικέτες που χρησιμοποιούνται για να τις κάνουν ορατές δεν μπορούν να σφηνωθούν μεταξύ των μορίων. Για να ξεπεραστεί αυτός ο περιορισμός, MIT Οι επιστήμονες ανέπτυξαν μια νέα τεχνική που κάνει ορατά τα αόρατα μόρια. Η μέθοδος βοηθά τους επιστήμονες να αποσυμπιέσουν τα μόρια επεκτείνοντας ένα δείγμα κυττάρου ή ιστού πριν από την επισήμανση των μορίων. Αυτό επιτρέπει στα μόρια να είναι πιο προσιτά σε φθορίζουσες ετικέτες.
Ο Edward Boyden, ο καθηγητής Νευροτεχνολογίας Y. Eva Tan, καθηγητής βιολογικής μηχανικής και εγκεφάλου και γνωστικών επιστημών στο MIT, είπε: «Γίνεται σαφές ότι η διαδικασία επέκτασης θα αποκαλύψει πολλές νέες βιολογικές ανακαλύψεις. Ας υποθέσουμε ότι βιολόγοι και κλινικοί γιατροί έχουν μελετήσει μια πρωτεΐνη στο εγκέφαλος ή άλλο βιολογικό δείγμα, και το επισημαίνουν με τον κανονικό τρόπο. Σε αυτή την περίπτωση, μπορεί να τους λείπουν ολόκληρες κατηγορίες φαινομένων».
Όπως σημείωσαν οι επιστήμονες, αυτή η μέθοδος επιτρέπει στους επιστήμονες να οραματιστούν μόρια και κυτταρικές δομές που δεν έχουν δει ποτέ πριν. Στη μελέτη τους, οι επιστήμονες μπορούσαν να απεικονίσουν μια νανοδομή που βρέθηκε στις συνάψεις του νευρώνες. Απεικόνισαν επίσης τη δομή του Αλτσχάιμερ-συνδεδεμένες πλάκες βήτα αμυλοειδούς με μεγαλύτερη λεπτομέρεια από όσο είναι δυνατόν.
Η Deblina Sarkar, επίκουρη καθηγήτρια στο Media Lab και ένας από τους κύριους συγγραφείς της μελέτης, είπε: «Η τεχνολογία μας, την οποία ονομάσαμε αποκάλυψη επέκτασης, επιτρέπει την οπτικοποίηση αυτών των νανοδομών, οι οποίες παρέμεναν κρυφές στο παρελθόν, χρησιμοποιώντας υλικό που είναι εύκολα διαθέσιμο στα ακαδημαϊκά εργαστήρια».
Πριν επεκτείνουν τον ιστό, οι επιστήμονες στην αρχική εκδοχή του μικροσκοπίου διαστολής εφάρμοσαν φθορίζοντες δείκτες σε μόρια ενδιαφέροντος. Η επισήμανση πραγματοποιήθηκε πρώτα, εν μέρει επειδή οι πρωτεΐνες του δείγματος έπρεπε να διασπαστούν από ένα ένζυμο πριν μπορέσει να μεγεθυνθεί ο ιστός. Αυτό σήμαινε ότι όταν ο ιστός τεντωνόταν, ήταν αδύνατο να σημειωθούν οι πρωτεΐνες.
Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα, οι επιστήμονες διαφημίζουν να βρουν έναν τρόπο να επεκτείνουν τον ιστό αφήνοντας τις πρωτεΐνες ανέπαφες. Αντί για ένζυμα, χρησιμοποιούσαν θερμότητα για να μαλακώσουν τον ιστό. Αυτό επέτρεψε στον ιστό να επεκταθεί 20 φορές χωρίς να καταστραφεί. Στη συνέχεια διαχώρισαν πρωτεΐνες που θα μπορούσαν να επισημανθούν με φθορίζουσες ετικέτες μετά την επέκταση.
Καθώς οι επιστήμονες μπορούσαν να έχουν πρόσβαση σε πολλές πρωτεΐνες για επισήμανση, μπορούσαν να αναγνωρίσουν μικροσκοπικές κυτταρικές δομές μέσα στις συνάψεις. Αυτές οι νανοστήλες πιστεύεται ότι συμβάλλουν στην αποτελεσματικότερη συναπτική επικοινωνία.
Ο Jinyoung Kang, μεταδιδάκτορας του MIT, είπε, «Αυτή η τεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να απαντήσει σε πολλές βιολογικές ερωτήσεις σχετικά με τη δυσλειτουργία των συναπτικών πρωτεϊνών, οι οποίες εμπλέκονται σε νευροεκφυλιστικές ασθένειες. Δεν υπάρχει εργαλείο για να απεικονίσει πολύ καλά τις συνάψεις».
Χρησιμοποιώντας τη νέα τους τεχνική, οι επιστήμονες απεικόνισαν βήτα-αμυλοειδές, το πεπτίδιο που σχηματίζει πλάκα στην AD. Χρησιμοποίησαν εγκεφαλικό ιστό από ποντίκια και διαπίστωσαν ότι το αμυλοειδές βήτα σχηματίζει περιοδικά νανοσυμπλέγματα. Αυτό δεν είχε φανεί πριν.
Παραδόξως, βρήκαν επίσης κανάλια καλίου στις ομάδες βήτα αμυλοειδούς. Επιπλέον, τα μόρια βήτα αμυλοειδούς δημιουργούν ελικοειδείς δομές κατά μήκος άξονες.
Η Μάργκαρετ Σρέντερ, μεταπτυχιακή φοιτήτρια του MIT, η οποία είναι και η συγγραφέας της εργασίας, είπε: «Σε αυτό το άρθρο, δεν θα κάνουμε εικασίες για το τι μπορεί να σημαίνει αυτή η βιολογία, αλλά δείχνουμε ότι υπάρχει. Αυτό είναι μόνο ένα παράδειγμα των νέων μοτίβων που μπορούμε να δούμε».
Ο Σαρκάρ είπε, «Είμαι γοητευμένος από τα βιομοριακά μοτίβα νανοκλίμακας που αποκαλύπτει αυτή η τεχνολογία. Με υπόβαθρο στη νανοηλεκτρονική, έχω αναπτύξει ηλεκτρονικά τσιπ που απαιτούν ακριβή ευθυγράμμιση στο nano fab. Αλλά όταν βλέπω ότι η Μητέρα Φύση έχει τακτοποιήσει βιομόρια με τέτοια ακρίβεια νανοκλίμακας στον εγκέφαλό μας, μου ταράζει το μυαλό».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Sarkar, D., Kang, J., Wassie, ΑΤ et αϊ. Αποκάλυψη νανοδομών στον εγκεφαλικό ιστό μέσω αποσυμφόρησης πρωτεϊνών με επαναληπτική μικροσκοπία επέκτασης. Nat. Biomed. Eng (2022). DOI: 10.1038/s41551-022-00912-3
