Wetenschappers hebben een nieuwe techniek ontwikkeld met behulp van hulpmiddelen gemaakt van lichtgevend DNA, verlicht als vuurvliegjes, om de mechanische krachten van cellen op moleculair niveau te visualiseren. Natuurmethoden het werk gepubliceerd, geleid door chemici van Emory University, die hun techniek demonstreerden op menselijke bloedplaatjes in laboratoriumexperimenten.

"Normaal gesproken, een optische microscoop kan geen beelden produceren die objecten oplossen die kleiner zijn dan de lengte van een lichtgolf, dat is ongeveer 500 nanometer, " zegt Khalid Salaita, Emory hoogleraar scheikunde en senior auteur van de studie. "We hebben een manier gevonden om gebruik te maken van recente ontwikkelingen in optische beeldvorming, samen met onze moleculaire DNA-sensoren om krachten op 25 nanometer vast te leggen. Die resolutie is vergelijkbaar met op de maan zijn en de rimpelingen zien die worden veroorzaakt door regendruppels die het oppervlak van een meer op de aarde raken ."

Bijna elk biologisch proces omvat een mechanische component, van celdeling tot bloedstolling tot het opzetten van een immuunrespons. "Begrijpen hoe cellen krachten uitoefenen en zintuigen kunnen voelen, kan helpen bij de ontwikkeling van nieuwe therapieën voor veel verschillende aandoeningen, " zegt Salaita, wiens lab toonaangevend is in het bedenken van manieren om biomechanische krachten in beeld te brengen en in kaart te brengen.

De eerste auteurs van het artikel, Joshua Brockman en Hanquan Su, deed het werk als Emory-studenten in het Salaita-lab. Beiden hebben onlangs hun Ph.D.s.

De onderzoekers veranderden strengen synthetisch DNA in moleculaire spanningsprobes die verborgen pockets bevatten. De sondes zijn bevestigd aan receptoren op het celoppervlak. Vrij zwevende stukjes DNA getagd met fluorescentie dienen als imagers. Terwijl de niet-verankerde stukjes DNA rondscharrelen, creëren ze lichtstrepen in microscopievideo's.

Wanneer de cel kracht uitoefent op een bepaalde receptorplaats, de bijgevoegde sondes strekken zich uit waardoor hun verborgen zakken opengaan en DNA-ranken vrijgeven die erin zijn opgeslagen. De vrij zwevende stukjes DNA zijn ontworpen om aan deze DNA-ranken te koppelen. Wanneer de fluorescerende DNA-stukken aanmeren, ze worden kort gedemobiliseerd, verschijnen als stilstaande lichtpunten in de microscopievideo's.

Er worden uren aan microscopievideo gemaakt van het proces, vervolgens versneld om te laten zien hoe de lichtpunten in de loop van de tijd veranderen, het verstrekken van het moleculaire niveau van de mechanische krachten van de cel.

De onderzoekers gebruiken een vuurvlieg-analogie om het proces te beschrijven.

"Stel je voor dat je op een maanloze nacht in een veld bent en dat er een boom is die je niet kunt zien omdat het pikdonker is, " zegt Brokman, afgestudeerd aan de Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering, een gezamenlijk programma van Georgia Tech en Emory, en is nu een postdoctoraal onderzoeker aan Harvard. "Om de een of andere reden, vuurvliegjes houden echt van die boom. Terwijl ze op alle takken en langs de stam van de boom landen, je zou langzaam een ​​beeld kunnen opbouwen van de omtrek van de boom. En als je echt geduld zou hebben, je zou zelfs de takken van de boom kunnen detecteren die in de wind zwaaien door vast te leggen hoe de vuurvliegjes hun landingsplaats in de loop van de tijd veranderen."

"Het is een enorme uitdaging om de krachten van een levende cel met een hoge resolutie in beeld te brengen, " zegt Su, die afstudeerde aan Emory's Department of Chemistry en nu een postdoctoraal onderzoeker is in het Salaita-lab. "Een groot voordeel van onze techniek is dat het het normale gedrag of de gezondheid van een cel niet verstoort."

Een ander voordeel, hij voegt toe, is dat DNA-basen van A, G, T en C, die van nature op bepaalde manieren aan elkaar binden, kan worden ontworpen binnen het sonde-en-beeldvormingssysteem om de specificiteit te beheersen en meerdere krachten tegelijk in een cel in kaart te brengen.

"Uiteindelijk, we kunnen mogelijk verschillende mechanische activiteiten van een cel koppelen aan specifieke eiwitten of aan andere delen van cellulaire machines, "zegt Brockman. "Dat stelt ons misschien in staat om te bepalen hoe we de cel kunnen veranderen om zijn krachten te veranderen en te beheersen."

Door de techniek te gebruiken om de mechanische krachten van bloedplaatjes in beeld te brengen en in kaart te brengen, de cellen die de bloedstolling regelen op de plaats van een wond, de onderzoekers ontdekten dat bloedplaatjes een geconcentreerde kern van mechanische spanning hebben en een dunne rand die continu samentrekt. "We konden dit patroon niet eerder zien, maar nu hebben we er een scherp beeld van, " zegt Salaita. "Hoe controleren deze mechanische krachten trombose en stolling? We willen ze graag meer bestuderen om te zien of ze kunnen dienen als een manier om een ​​stollingsstoornis te voorspellen."

Net zoals steeds krachtigere telescopen ons in staat stellen planeten te ontdekken, sterren en de krachten van het heelal, krachtigere microscopie stelt ons in staat ontdekkingen te doen over onze eigen biologie.

"Ik hoop dat deze nieuwe techniek leidt tot betere manieren om niet alleen de activiteit van afzonderlijke cellen in een laboratoriumschaal te visualiseren, maar om te leren over cel-tot-cel interacties in werkelijke fysiologische omstandigheden, ', zegt Su. 'Het is alsof je een nieuwe deur opent naar een grotendeels onontgonnen gebied - de krachten in ons.'