Binnen een bepaald weefsel of orgaan kunnen cellen erg op elkaar lijken of zelfs identiek zijn. Maar op moleculair niveau kunnen deze cellen kleine verschillen hebben die leiden tot grote variaties in hun functies.

Alex K. Shalek, universitair hoofddocent scheikunde aan het MIT, vindt het een uitdaging om die kleine verschillen bloot te leggen. In zijn laboratorium ontwikkelen en implementeren onderzoekers technologieën zoals single-cell RNA-sequencing, waarmee ze verschillen in genexpressiepatronen kunnen analyseren en kunnen achterhalen hoe elke cel bijdraagt ​​aan de functie van een weefsel.

"Eencellige RNA-sequencing is een ongelooflijk krachtige manier om te onderzoeken wat cellen op een bepaald moment doen. Door te kijken naar associaties tussen de verschillende mRNA's die cellen tot expressie brengen, kunnen we echt belangrijke kenmerken van een weefsel identificeren, zoals welke cellen aanwezig zijn en wat proberen die cellen te doen", zegt Shalek, die ook een kernlid is van MIT's Institute for Medical Engineering and Science en een extramuraal lid van het Koch Institute for Integrative Cancer Research, evenals een lid van het Ragon Institute of MGH, MIT en Harvard en een instituutslid van het Broad Institute of Harvard en MIT.

Hoewel zijn werk zich richt op het identificeren van kleinschalige verschillen, hoopt hij dat dit grootschalige implicaties zal hebben, aangezien hij wereldwijd belangrijke ziekten zoals hiv, tuberculose en kanker beter wil begrijpen.

"Veel van wat we nu doen, is wereldwijd samenwerkingswerk dat zich echt richt op het begrijpen van de cellulaire en moleculaire basis van menselijke ziekten - samenwerken met mensen in meer dan 30 landen op zes continenten", zegt hij. "Ik hou van fundamenteel werk en de precisie die mogelijk is in modelsystemen, maar ik ben altijd erg gemotiveerd geweest om onze wetenschap te verbinden met de menselijke gezondheid en om te begrijpen wat er bij verschillende ziekten gebeurt, zodat we betere preventies en behandelingen kunnen ontwikkelen."

De fysieke wereld verkennen

Als student aan de Columbia University wisselde Shalek tussen een paar verschillende majors voordat hij zich stortte op chemische fysica. Hij begon in de natuurkunde omdat hij de fundamentele wetten wilde begrijpen van hoe de fysieke wereld werkt. Naarmate hij verder kwam, realiseerde hij zich echter dat de meeste beschikbare onderzoeksmogelijkheden betrekking hadden op de detectie van hoogenergetische deeltjes, wat hem niet aansprak.

Daarna volgde hij een aantal wiskundecursussen, maar voelde hij geen echte connectie met de stof, dus schakelde hij over naar scheikunde, waar hij een cursus tegenkwam die hem aansprak:statistische mechanica, waarbij statistische methoden worden gebruikt om het gedrag van grote aantallen atomen of moleculen.

"Ik vond het geweldig omdat het me hielp begrijpen hoe al deze regels die ik in de natuurkunde had geleerd over microscopische deeltjes zich daadwerkelijk vertaalden naar macroscopische dingen in de wereld om me heen", zegt Shalek.

Verscheurd over wat hij wilde doen na zijn afstuderen aan de universiteit, besloot hij naar de graduate school te gaan. Aan de Harvard University, waar hij een Ph.D. in de chemische fysica werkte hij samen met Hongkun Park, een professor in de scheikunde en natuurkunde. Park, die net een vaste aanstelling had gekregen voor zijn werk om de optische en elektronische eigenschappen van afzonderlijke moleculen en nanomaterialen te meten, was bezig met het bouwen van een nieuw programma om de hersenen te bestuderen. Hij wilde met name manieren vinden om zeer nauwkeurige elektrische metingen van veel neuronen tegelijk uit te voeren.

Als eerste die zich bij de nieuwe inspanning aansloot, was Shalek verantwoordelijk voor het uitzoeken hoe hij computermodellen kon maken, apparaten kon fabriceren, software kon schrijven om de elektronica te besturen, de gegevens te analyseren en vele andere dingen waarvan hij niet wist hoe ze dat moesten doen. bovenop het leren van neurobiologie.

"Het was op zijn zachtst gezegd een uitdaging. Ik kreeg een spoedcursus om een ​​heleboel verschillende dingen te doen", herinnert hij zich. "Het was een zeer vernederende ervaring, maar ik heb veel geleerd. Door me een weg te banen naar verschillende laboratoria in de stad aan Harvard en MIT, kon ik dingen sneller oppikken. Ik voelde me erg op mijn gemak bij het opnemen van nieuwe onderwerpen en het aanpakken van moeilijke problemen door op anderen leunen en van hen leren."

Zijn inspanningen leidden tot de ontwikkeling van verschillende nieuwe technologieën, waaronder arrays van nanodraden die kunnen worden gebruikt om neuronactiviteit vast te leggen en om moleculen in individuele cellen te injecteren zonder ze te beschadigen en om een ​​deel van de inhoud van de cellen te verwijderen. Dit bleek vooral nuttig voor het bestuderen van immuuncellen, die gewoonlijk weerstand bieden aan andere toedieningsmethoden, zoals virussen.

Een individuele benadering

Shaleks werk op de graduate school stimuleerde zijn interesse in systeembiologie, wat inhoudt dat veel aspecten van een biologisch systeem uitgebreid worden gemeten met behulp van genomica en andere technieken, vervolgens modellen worden gebouwd die de waargenomen metingen verklaren en ten slotte de modellen in levende cellen testen met behulp van verstoringstechnieken. Tot zijn frustratie ontdekte hij echter vaak dat wanneer hij een voorspelling van een model probeerde te testen, niet alle cellen in het systeem het verwachte resultaat zouden geven.

"Er was veel variatie", zegt hij. "Ik zag verschillen in het niveau van mRNA's, of in de expressie of activiteit van eiwitten, of soms zouden al mijn cellen niet in hetzelfde ding differentiëren."

Hij begon zich af te vragen of het de moeite waard zou zijn om te proberen elke individuele cel binnen een systeem te bestuderen, in plaats van de traditionele benadering van gepoolde sequencing van hun mRNA. Tijdens zijn postdoc werkte hij samen met Park en Aviv Regev, een MIT-professor in de biologie en lid van het Broad Institute, om technologieën te ontwikkelen voor het sequencen van al het mRNA dat in grote sets van individuele cellen wordt aangetroffen. Deze informatie kan vervolgens worden gebruikt om cellen in verschillende typen in te delen en te onthullen in welke staat ze zich op een bepaald moment bevinden.

In zijn laboratorium aan het MIT gebruikt Shalek nu verbeteringen die hij heeft helpen aanbrengen in deze benadering om vele soorten cellen en weefsels te analyseren en te bestuderen hoe hun identiteit wordt gevormd door hun omgeving. Zijn recente werk omvatte studies over hoe de staat van kankercellen de reactie op chemotherapie beïnvloedt, de cellulaire doelwitten van het SARS-CoV-2-virus, analyse van celtypen die betrokken zijn bij borstvoeding en identificatie van T-cellen die klaar zijn om ontstekingen te veroorzaken tijdens allergische reacties.

Een overkoepelend thema van dit werk is hoe cellen de homeostase handhaven, of de stabiele toestand van fysieke en chemische omstandigheden in levende organismen.

"We weten hoe belangrijk homeostase is omdat we weten dat onevenwichtigheden kunnen leiden tot auto-immuunziekten en immunodeficiënties, of tot de groei van kanker", zegt Shalek. "We willen echt op cellulair niveau definiëren wat evenwicht is, hoe je het evenwicht bewaart en hoe verschillende omgevingsfactoren zoals blootstelling aan verschillende infecties of diëten dat evenwicht veranderen?"

Shalek zegt dat hij de vele mogelijkheden waardeert die hij heeft om samen te werken met andere onderzoekers rond MIT en de omgeving van Boston, naast zijn vele internationale medewerkers. Terwijl zijn laboratorium werkt aan problemen van menselijke ziekten, zorgt hij ervoor dat hij de volgende generatie wetenschappers helpt voeden, op dezelfde manier waarop hij training en begeleiding kon krijgen als afgestudeerde student en postdoc.

"Als je het collectieve hersenvertrouwen van deze gemeenschap samenbrengt en samenwerkt met mensen over de hele wereld, kun je ongelooflijke dingen doen", zegt Shalek. "Mijn ervaring heeft me geleerd hoe belangrijk het is om wetenschappers te ondersteunen en te machtigen en om te proberen de gemeenschap te verheffen, en dat is een groot deel van waar ik me op heb gericht. Ik erken dat veel van mijn succes afhing van het feit dat mensen hun labs openden en tijd en steun me, en dus heb ik geprobeerd om dat vooruit te betalen." + Verder verkennen

Nieuwe details achter de reactie van het lichaam op tuberculose kunnen leiden tot een effectiever vaccin

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.