In levende cellen vinden tegelijkertijd een groot aantal voorbijgaande gebeurtenissen plaats, die allemaal belangrijk zijn voor een bepaalde cel bij het uitvoeren van zijn functie. Het getrouw vastleggen van deze voorbijgaande activiteiten is een voorwaarde voor een moleculair begrip van het leven, maar het verkrijgen van dergelijke opnamen is een enorme uitdaging.

Wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Medisch Onderzoek in Heidelberg en hun samenwerkingspartners hebben een nieuwe technologie ontwikkeld waarmee cellulaire gebeurtenissen kunnen worden vastgelegd door middel van chemische labeling met fluorescerende kleurstoffen voor latere analyse, waardoor volledig nieuwe manieren worden geopend om de cellulaire fysiologie te bestuderen. De nieuwe methode is nu gepubliceerd in Science .

Het vastleggen van voorbijgaande cellulaire gebeurtenissen speelt een beslissende rol bij het onderzoeken en begrijpen van biologische processen, maar brengt aanzienlijke technische uitdagingen met zich mee. Een ideale registratiemethode zou grote populaties cellen tegelijkertijd observeren, zou werken in de reageerbuis en bij levende dieren, en zou het mogelijk maken de geregistreerde waarnemingen op een later tijdstip terug te halen en te analyseren. Tot nu toe ontbrak het grotendeels aan methoden die aan deze criteria voldoen:een kloof die de nieuwe technologie nu zou kunnen overbruggen.

"Onze technologie is gebaseerd op een recordereiwit dat onomkeerbaar wordt gelabeld met een fluorescerende kleurstof wanneer zich in de omgeving een interessante gebeurtenis voordoet", legt Magnus-Carsten Huppertz uit, postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Chemische Biologie van het MPI voor Medisch Onderzoek. "Hierdoor kunnen wetenschappers zeer grote aantallen cellen parallel bestuderen – in vivo of in vitro."

Te onderscheiden substraten registreren opeenvolgende perioden van activiteit

Het team, onder leiding van Kai Johnsson en Julien Hiblot, ontwierp eiwitten die gelabeld worden wanneer een specifieke cellulaire activiteit en een fluorescerend substraat tegelijkertijd aanwezig zijn. Het in- en uitwassen van het substraat bepaalt de opnameperiode, terwijl de cellulaire activiteit de mate van labeling bepaalt. Bovendien kunnen door het gebruik van onderscheidbare substraten verschillende fasen binnen een activiteitsperiode worden geregistreerd.

In hun onderzoek hebben ze recorders geconstrueerd voor drie verschillende processen die van centraal belang zijn:receptoractivatie, eiwit-eiwitinteracties en veranderingen in calciumionen (Ca ²⁺ ) concentratie. Dit laatste werd gebruikt om de heterogeniteit van Ca ²⁺ te bestuderen veranderingen in cellulaire netwerken afgeleid van glioblastoom, een agressieve hersentumor.

In nauwe samenwerking met de groepen van Lisa Fenk en Herwig Baier van het Max Planck Instituut voor Biologische Intelligentie in Martinsried hebben de auteurs met succes patronen van neuronale activiteit in vliegen en zebravissen vastgelegd.

"Uiteindelijk hebben we zo'n veelzijdig opnameplatform ontwikkeld voor de parallelle analyse van talrijke gelijktijdige voorbijgaande cellulaire gebeurtenissen in vitro en in vivo", besluit Jonas Wilhelm, postdoctoraal onderzoeker bij dezelfde afdeling.

De belangrijkste uitdaging waarmee de wetenschappers tijdens hun werk werden geconfronteerd, was het verfijnen van het nieuw ontwikkelde recorderplatform om de robuustheid en efficiënte prestaties ervan in een reeks biologische modelsystemen te garanderen. Om het gebruik van deze nieuwe technologie onder verschillende omstandigheden te verkennen, hebben ze een verscheidenheid aan samengestelde experimentele arrangementen opgezet.

"We zijn verheugd om nieuwe moleculaire hulpmiddelen te bieden met het potentieel om nieuwe soorten experimenten mogelijk te maken en onderzoek op verschillende gebieden, zoals neurobiologie en oncologie, te versnellen", zeggen Magnus-Carsten Huppertz en Jonas Wilhelm. "We hadden het geluk dat we konden samenwerken met wetenschappers uit verschillende disciplines om deze nieuwe technologie mogelijk te maken."

Naast het Max Planck Instituut voor Biologische Intelligentie, wetenschappers van het Duitse Kankeronderzoekscentrum (DKFZ), het Nationaal Centrum voor Tumorziekten (NCT), de Universiteit van Heidelberg, Janelia Research Campus, Virginia, VS, en École Polytechnique Fédérale de Lausanne ( EPFL), Zwitserland heeft bijgedragen aan het werk.

Meer informatie: Magnus-Carsten Huppertz et al, Vastleggen van de fysiologische geschiedenis van cellen met chemische labeling, Wetenschap (2024). DOI:10.1126/science.adg0812

Aangeboden door Max-Planck-Institut für medizinische Forschung