سلول های زنده با انواع مختلفی از سیگنال های مولکولی ورودی بمباران می شوند که بر رفتار آنها تأثیر می گذارد. توانایی اندازه‌گیری این سیگنال‌ها و نحوه واکنش سلول‌ها به آنها از طریق شبکه‌های سیگنالینگ مولکولی پایین‌دست، می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا اطلاعات بیشتری در مورد نحوه عملکرد سلول‌ها، از جمله اینکه چه اتفاقی می‌افتد هنگام پیری یا بیماری، بیاموزند.
در حال حاضر، این نوع مطالعه جامع امکان‌پذیر نیست، زیرا تکنیک‌های تصویربرداری سلولی کنونی تنها به تعداد انگشت شماری از انواع مختلف مولکول در یک سلول محدود می‌شود. با این حال، محققان MIT روش جایگزینی را توسعه داده‌اند که به آنها اجازه می‌دهد تا هفت مولکول مختلف و حتی بیشتر را به طور بالقوه مشاهده کنند.
ادوارد بویدن، استاد نوروتکنولوژی Y. Eva Tan می‌گوید: «نمونه‌های زیادی در زیست‌شناسی وجود دارد که در آن یک رویداد باعث ایجاد یک آبشار طولانی و رو به پایین از رویدادها می‌شود که سپس باعث عملکرد سلولی خاصی می‌شود. “چگونه این اتفاق می افتد؟ این احتمالاً یکی از مشکلات اساسی زیست‌شناسی است، و بنابراین ما از خود پرسیدیم که آیا می‌توانید این اتفاق را تماشا کنید؟
رویکرد جدید از مولکول های فلورسنت سبز یا قرمز استفاده می کند که با سرعت های مختلف روشن و خاموش می شوند. با تصویربرداری از یک سلول برای چند ثانیه، دقیقه یا ساعت و سپس استخراج هر یک از سیگنال‌های فلورسانس با استفاده از یک الگوریتم محاسباتی، می‌توان مقدار هر پروتئین هدف را با تغییر در طول زمان ردیابی کرد.
بویدن، که همچنین استاد مهندسی بیولوژیکی و علوم مغز و شناختی در MIT، محقق در موسسه پزشکی هوارد هیوز و عضو موسسه تحقیقات مغزی MIT McGovern و موسسه تحقیقات سرطان یکپارچه کخ، و همچنین کی لیزا یانگ، یکی از مدیران مرکز بیونیک، نویسنده اصلی این مطالعه است که امروز ظاهر می شود که در سلول. یونگ کیان، فوق دکترای MIT، نویسنده اصلی مقاله است.
سیگنال های فلورسنت
برچسب زدن مولکول های داخل سلول ها با پروتئین های فلورسنت به محققان این امکان را می دهد که اطلاعات زیادی در مورد عملکرد بسیاری از مولکول های سلولی بیاموزند. این نوع مطالعه اغلب با پروتئین فلورسنت سبز (GFP) انجام می شود که برای اولین بار در دهه 1990 برای تصویربرداری استفاده شد. از آن زمان، چندین پروتئین فلورسنت که در رنگ‌های دیگر می‌درخشند، برای استفاده تجربی ساخته شده‌اند.
با این حال، یک میکروسکوپ نوری معمولی می‌تواند تنها دو یا سه رنگ از این رنگ‌ها را تشخیص دهد و به محققان این امکان را می‌دهد که تنها نگاهی اجمالی به فعالیت کلی در داخل سلول داشته باشند. اگر آنها بتوانند تعداد بیشتری از مولکول‌های برچسب‌گذاری شده را ردیابی کنند، برای مثال، محققان می‌توانند پاسخ سلول مغز به انتقال‌دهنده‌های عصبی مختلف را در طول تمرین اندازه‌گیری کنند، یا سیگنال‌هایی را که سلول سرطانی را وادار به متاستاز می‌کنند، مطالعه کنند.
در حالت ایده‌آل، می‌توانید سیگنال‌های موجود در سلول را در حالی که در زمان واقعی نوسان می‌کنند، تماشا کنید و سپس می‌توانید نحوه اتصال آنها به یکدیگر را درک کنید. بویدن می گوید که این به شما می گوید که سلول چگونه محاسبه می کند. “مشکل این است که شما نمی توانید چندین چیز را همزمان تماشا کنید.”
در سال 2020، آزمایشگاه Boyden راهی برای تصویربرداری همزمان از پنج مولکول مختلف در یک سلول با هدایت خبرنگاران درخشان به مکان‌های مختلف در سلول ایجاد کرد. این رویکرد، معروف به «مالتی پلکس فضایی“، به محققان اجازه می دهد سیگنال ها را از مولکول های مختلف تشخیص دهند، حتی اگر همه آنها یک رنگ فلورسانس کنند.
در مطالعه جدید، محققان رویکرد متفاوتی در پیش گرفتند: به جای تمایز سیگنال ها بر اساس موقعیت فیزیکی آنها، سیگنال های فلورسانس ایجاد کردند که در طول زمان تغییر می کرد. این تکنیک متکی بر “فلوروفورهای قابل تعویض” است – پروتئین های فلورسنتی که با سرعت مشخصی روشن و خاموش می شوند. برای این مطالعه، بویدن و اعضای گروهش چهار فلوروفور قابل تغییر سبز را شناسایی کردند و سپس دو فلوروفور دیگر را طراحی کردند که همگی با سرعت‌های مختلف روشن و خاموش می‌شوند. آنها همچنین دو پروتئین فلورسنت قرمز را شناسایی کردند که با سرعت های مختلف تغییر می کنند و یک فلوروفور قرمز اضافی ایجاد کردند.
هر یک از این فلوروفورهای قابل تعویض را می توان برای برچسب زدن نوع متفاوتی از مولکول ها در یک سلول زنده، مانند آنزیم، پروتئین سیگنال دهنده یا بخشی از اسکلت سلولی استفاده کرد. پس از تصویربرداری از سلول به مدت چند دقیقه، ساعت یا حتی روز، محققان از یک الگوریتم محاسباتی برای تشخیص سیگنال خاص از هر فلوروفور استفاده می‌کنند، مشابه این که چگونه گوش انسان می‌تواند فرکانس‌های مختلف صدا را تشخیص دهد.
«در یک ارکستر سمفونیک، شما سازهایی با صدای بلند، مانند فلوت، و سازهای کم صدا، مانند توبا، دارید. و در وسط آن سازهایی مانند ترومپت وجود دارد. همه آنها صداهای مختلفی دارند و گوش ما آنها را مرتب می کند.”
تکنیک ریاضی که محققان برای تجزیه و تحلیل سیگنال‌های فلوروفور استفاده کردند، به نام اختلاط خطی شناخته می‌شود. این روش می‌تواند سیگنال‌های فلوروفور متفاوتی را استخراج کند، مشابه این که گوش انسان از یک مدل ریاضی معروف به تبدیل فوریه برای استخراج زیر و بم‌های مختلف از یک قطعه موسیقی استفاده می‌کند.
هنگامی که این تجزیه و تحلیل کامل شد، محققان می توانند ببینند که چه زمانی و کجا هر یک از مولکول های نشاندار شده با فلورسنت در طول کل دوره تصویربرداری در سلول شناسایی شده است. خود تصویربرداری را می توان با یک میکروسکوپ نوری ساده و بدون نیاز به تجهیزات خاص انجام داد.
پدیده های بیولوژیکی
در این مطالعه، محققان رویکرد خود را با برچسب گذاری شش مولکول مختلف درگیر در چرخه تقسیم سلولی در سلول های پستانداران نشان دادند. این به آنها اجازه داد تا الگوهایی را در چگونگی تغییر سطح آنزیم‌هایی به نام کینازهای وابسته به سیکلین با پیشرفت سلول در چرخه سلولی شناسایی کنند.
محققان همچنین نشان دادند که می توانند انواع دیگری از کینازها را که تقریباً در هر جنبه ای از سیگنال دهی سلولی نقش دارند و همچنین ساختارهای سلولی و اندامک هایی مانند اسکلت سلولی و میتوکندری را برچسب گذاری کنند. محققان علاوه بر آزمایش‌های خود با استفاده از سلول‌های پستانداران رشد یافته در یک ظرف آزمایشگاهی، نشان دادند که این روش می‌تواند در مغز لارو ماهی گورخر نیز کار کند.
به گفته محققان، این روش می‌تواند برای نظارت بر نحوه واکنش سلول‌ها به هر نوع ورودی، مانند مواد مغذی، عوامل سیستم ایمنی، هورمون‌ها یا انتقال‌دهنده‌های عصبی مفید باشد. همچنین می‌توان از آن برای مطالعه چگونگی واکنش سلول‌ها به تغییرات بیان ژن یا جهش‌های ژنتیکی استفاده کرد. همه این عوامل نقش مهمی در پدیده های بیولوژیکی مانند رشد، پیری، سرطان، تخریب عصبی و شکل گیری حافظه دارند.
بویدن می‌گوید: «شما می‌توانید تمام این پدیده‌ها را به‌عنوان نمایانگر یک دسته کلی از مشکلات بیولوژیکی تصور کنید، جایی که برخی رویدادهای کوتاه‌مدت – مانند خوردن یک ماده مغذی، یادگیری چیزی یا ابتلا به عفونت – باعث ایجاد یک تغییر طولانی‌مدت می‌شود.»
علاوه بر انجام این نوع مطالعات، آزمایشگاه Boyden در حال کار بر روی گسترش فهرست فلوروفورهای قابل تعویض است تا بتوانند سیگنال‌های بیشتری را در سلول مطالعه کنند. آنها همچنین امیدوارند که سیستم را به گونه ای تطبیق دهند که بتوان از آن در مدل های ماوس استفاده کرد.
این تحقیق با کمک مالی از Alana، K. Lisa Yang، John Doerr، Jed McCaleb، James Fickel، Ashar Aziz، K. Lisa Yang و Hock E. Tan مرکز برای درمان مولکولی در MIT، موسسه پزشکی هاوارد هیوز تامین شد. ، و مؤسسه ملی بهداشت.
