Wetenschappers hebben een hele reeks belangrijke informatie over eiwitten verkregen, de moleculaire werkpaarden van alle cellen, voor het eerst uit afzonderlijke menselijke cellen.

De voorraad informatie over eiwitten - de meeste van dergelijke gegevens die ooit zijn verzameld van een enkele zoogdiercel - geeft wetenschappers een van hun duidelijkste blikken tot nu toe op de moleculaire gebeurtenissen in een menselijke cel. Dergelijke gegevens kunnen onthullen of een cel een malafide kankercel is, een defecte pancreascel die betrokken is bij diabetes, of een moleculaire speler die belangrijk is voor de overleving van een preemie.

Deze gebeurtenissen en nog veel meer worden bepaald door de acties van eiwitten in cellen. Tot nu, gedetailleerde informatie over eiwitten in afzonderlijke cellen was moeilijk te vinden. De onbewerkte "gegevens - de hoeveelheid van elk eiwit - in een cel zijn buitengewoon karig en moeilijk te meten. Dat komt grotendeels omdat wetenschappers eiwitten niet kunnen versterken zoals ze dat kunnen met genen of andere moleculaire boodschappers.

Nutsvoorzieningen, in een studie gepubliceerd in Angewandte Chemie , wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy, werken met collega's van het University of Rochester Medical Center, laten zien hoe ze een ongekende hoeveelheid informatie konden leren over de eiwitten in monsters van afzonderlijke menselijke longcellen.

De wetenschappers analyseerden enkele cellen, eerst uit gekweekte cellen en vervolgens uit de longen van een menselijke donor, en detecteerde gemiddeld meer dan 650 eiwitten in elke cel - vele malen meer dan conventionele technieken vangen uit afzonderlijke cellen.

Het team, waaronder analytische chemici Ying Zhu en Ryan Kelly en biochemici Geremy Clair en Charles Ansong, deed de bevindingen dankzij een technologie gecreëerd bij EMSL, het Environmental Molecular Sciences Laboratory, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit bij PNNL. Het team ontwikkelde de technologie, genaamd nanoPOTS, om eiwitten te meten in een kleine, bijna onvoorstelbare hoeveelheid materiaal.

"NanoPOTS is als een moleculaire microscoop waarmee we monsters kunnen analyseren die 500 keer kleiner zijn dan we eerder konden zien, " zei Kelly, de corresponderende auteur van het artikel. "We kunnen meer eiwitten in één cel identificeren dan voorheen konden worden geïdentificeerd uit een groep van honderden cellen."

Dat is om een ​​aantal redenen belangrijk. Sommige eiwitten oefenen een enorme invloed uit in een cel, misschien bepalen of de cel zal leven, dood gaan, muteren of reizen naar een ander deel van het lichaam, zelfs wanneer ze zich op zeer lage niveaus bevinden die met de huidige methoden niet detecteerbaar zijn.

In aanvulling, conventionele technologieën analyseren doorgaans honderden of duizenden cellen, bundelen ze in één batch voor analyse. Die bevindingen vertegenwoordigen een gemiddeld beeld van wat er in dat weefsel gebeurt; er is weinig inzicht in wat er werkelijk in een specifieke cel gebeurt. Dat is een probleem als er variabiliteit is van cel tot cel - als sommige cellen zich normaal gedragen terwijl andere cellen kankerachtig zijn, bijvoorbeeld.

In de huidige studie, het team analyseerde de eiwitten in een vloeistofmonster dat minder is dan een tienduizendste theelepel. Binnen dat monster de eiwitten bedroegen slechts 0,15 nanogram - meer dan tien miljoen keer kleiner dan het gewicht van een typische mug.

Zodra wetenschappers zo'n waardevol goed in handen hebben - de ingewanden van een enkele menselijke cel - ondergaan ze een reeks verwerkingsstappen om het voor te bereiden op analyse. Maar het werken met zo'n klein monster heeft aanzienlijke wegversperringen opgeworpen voor eencellige analyse. Omdat het materiaal van de ene reageerbuis naar de andere wordt overgebracht, van automaat naar automaat, een deel van het monster gaat in elke fase verloren. Wanneer het oorspronkelijke monster niet meer dan een microscopisch kleine druppel is, zelfs maar een klein beetje van het monster verliezen is catastrofaal.

Zhu en Kelly ontwikkelden nanoPOTS, wat staat voor nanodroplet Processing in One pot for Trace Samples, om dit probleem van monsterverlies aan te pakken. De technologie is een geautomatiseerd platform voor het vastleggen, rangeren, testen en meten van kleine hoeveelheden vloeistof. Sleutels tot de technologie zijn onder meer een robot die de vloeistof naar een locatie brengt met een nauwkeurigheid van een miljoenste van een meter, bewegen tussen kleine putjes die de hoeveelheid oppervlakte waarop eiwitten kunnen glommen, minimaliseren.

Binnen die kleine putten, wetenschappers voeren verschillende stappen uit om de eiwitten van de rest van het monster te isoleren. Vervolgens, het materiaal wordt in een massaspectrometer gevoerd die elk van honderden eiwitten scheidt en meet.

Alles verteld, de technologie vermindert monsterverliezen met meer dan 99 procent in vergelijking met andere technologieën, wetenschappers genoeg van het schaarse materiaal geven om zinvolle metingen te doen - om te bepalen welke eiwitten zich op een hoog niveau bevinden en welke op een laag niveau. Dat is essentiële informatie bij het vergelijken, bijvoorbeeld, hersencellen van een persoon met de ziekte van Alzheimer tot die van een persoon die niet is aangetast, of kijken naar cellen die kankerachtig zijn in vergelijking met nabijgelegen cellen die gezond zijn.