Da bi ubrzali biotehnološke inovacije, kao što je razvoj terapija lekovima za spasavanje života, naučnici nastoje da razviju brže, kvantitativne i šire dostupne načine za posmatranje biomolekula u živim ćelijama.
Istraživači sa Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) razvili su novu metodu koja omogućava upotrebu infracrvene (IR) svetlosti za snimanje jasnih slika biomolekula unutar ćelija, nešto što ranije nije bilo moguće zbog sklonosti vode u ćelije da apsorbuju infracrveno zračenje. Njihovi nalazi su objavljeni u časopisu Analitička hemija.
Nova metoda uklanja zamračujuće efekte vode u IR merenjima i omogućava istraživačima da odrede količine ključnih biomolekula u ćelijama, kao što su proteini koji usmeravaju funkciju ćelije. Sposobnost merenja promena u živim ćelijama mogla bi da ubrza napredak u bioproizvodnji, razvoju ćelijske terapije, razvoju lekova i još mnogo toga.
Infracrveno zračenje je svetlost koja je malo iznad onoga što je vidljivo ljudskom oku. Iako ne možemo da vidimo IR svetlost, možemo je osetiti kao toplotu. U IR mikroskopiji, materijal od interesa apsorbuje zračenje iz opsega talasnih dužina u IR spektru.
Naučnici mere i analiziraju IC apsorpcioni spektar uzorka, proizvodeći skup „otisaka prstiju“ za identifikaciju molekula i drugih hemijskih struktura. Međutim, voda, najzastupljeniji molekul i unutar i izvan ćelija, snažno apsorbuje infracrveno i maskira infracrvenu apsorpciju od drugih biomolekula u ćelijama.
Jedan od načina da se razume ovaj efekat optičkog maskiranja je da se uporedi sa prolaskom aviona iznad glave pored sunca. Golim okom je teško videti avion zbog sunca, ali ako koristite poseban filter za zaštitu od sunca, onda možete lako videti avion na nebu.
„U spektru, voda tako snažno apsorbuje infracrveno i želimo da vidimo spektar apsorpcije proteina kroz gustu vodenu pozadinu, pa smo dizajnirali optički sistem da otkrije doprinos vode i otkrije proteinske signale“, rekao je hemičar NIST-a Jang Džong Lee.
Lee je razvio patentiranu tehniku koja koristi optički element za kompenzaciju apsorpcije vode iz IR. Nazvana kompenzacija apsorpcije rastvarača (SAC), tehnika je korišćena sa ručno napravljenim IR laserskim mikroskopom za snimanje ćelija koje podržavaju formiranje vezivnog tkiva, koje se nazivaju ćelije fibroblasta.
Tokom perioda posmatranja od 12 sati, istraživači su bili u mogućnosti da identifikuju grupe biomolekula (proteini, lipidi i nukleinske kiseline) tokom faza ćelijskog ciklusa, kao što je deoba ćelije. Iako ovo može izgledati kao dugo, metoda je na kraju brža od trenutnih alternativa, koje zahtevaju vreme snopa u velikom sinhrotronskom postrojenju.
Ova nova metoda, nazvana SAC-IR, je bez etiketa, što znači da ne zahteva nikakve boje ili fluorescentne markere, koji mogu da naškode ćelijama i takođe proizvedu manje dosledne rezultate u laboratorijama.
SAC-IR metoda je omogućila istraživačima NIST-a da izmere apsolutnu masu proteina u ćeliji, pored nukleinskih kiselina, lipida i ugljenih hidrata. Tehnika bi mogla da pomogne u uspostavljanju temelja za standardizaciju metoda za merenje biomolekula u ćelijama, što bi se moglo pokazati korisnim u biologiji, medicini i biotehnologiji.
„U terapiji ćelijama raka, na primer, kada se ćelije iz imunološkog sistema pacijenta modifikuju da bolje prepoznaju i ubiju ćelije raka pre nego što se ponovo uvedu nazad pacijentu, mora se zapitati: ‘Da li su ove ćelije bezbedne i efikasne?’ Naš metod može biti od pomoći pružanjem dodatnog uvida u vezi sa biomolekularnim promenama u ćelijama za procenu zdravlja ćelija“, rekao je Li.
Druge potencijalne primene uključuju korišćenje ćelija za skrining lekova, bilo u otkrivanju novih lekova ili u razumevanju bezbednosti i efikasnosti kandidata za lek. Na primer, ovaj metod bi mogao da pomogne da se proceni potentnost novih lekova merenjem apsolutnih koncentracija različitih biomolekula u velikom broju pojedinačnih ćelija, ili da se analizira kako različite vrste ćelija reaguju na lekove.
Istraživači se nadaju da će dalje razvijati tehniku kako bi mogla da meri druge ključne biomolekule, kao što su DNK i RNK, sa većom tačnošću. Tehnika bi takođe mogla da pomogne u pružanju detaljnih odgovora na fundamentalna pitanja u ćelijskoj biologiji, kao što su potpisi biomolekula koji odgovaraju vitalnosti ćelije – drugim rečima, da li je ćelija živa, umire ili mrtva.
„Neke ćelije se čuvaju u zamrznutom stanju mesecima ili godinama, a zatim se odmrzavaju za kasniju upotrebu. Još uvek ne razumemo u potpunosti kako da odmrznemo ćelije uz održavanje maksimalne održivosti. Sa našim novim mogućnostima merenja, možda ćemo moći da razvijemo bolje procese za zamrzavanje i odmrzavanje ćelija gledajući njihove infracrvene spektre“, rekao je Li.
