Podela ćelije, ili proces kako ćelije ćerke nastaju iz matične ćelije, je fundamentalna za biologiju. Svaka ćelija nasleđuje iste blokove proteina i DNK koji čine ćeliju iz koje je prvobitno došla. Ipak, kako se ovi molekularni gradivni blokovi uređuju u nove ćelije, ostala je misterija.
Proučavanje ćelijske deobe zahteva istovremeno posmatranje makromolekula nanometarskih razmera poput proteina i DNK, sve do milimetarskih populacija ćelija, i tokom vremenskog okvira koji se kreće od sekundi do nedelja. Prethodni mikroskopi su bili u stanju da snime sićušne objekte samo u kratkim vremenskim okvirima, obično samo desetinama sekundi. Nije postojao metod koji bi mogao da ispita širok spektar veličina i vremenskih skala odjednom.
Moj tim i ja iz grupe Bioplasmonics Univerziteta u Mičigenu razvili smo novu vrstu snimanja u superrezoluciji koja otkriva ranije nepoznate karakteristike načina na koji se ćelije dele.
Sve do nedavno nije bilo moguće posmatrati ćelije na molekularnom nivou sa razvojem superrezolucije koji je dobio Nobelovu nagradu za 2014.
Tradicionalni svetlosni mikroskopi zamagljuju veoma male objekte koji su blizu jedan drugom u uzorku, jer se svetlost širi dok se kreće kroz prostor. Sa superrezolucijom, fluorescentne sonde pričvršćene za uzorak mogle bi se uključiti i isključiti poput svetlucavih zvezda u vedroj noći. Sakupljanjem i kombinovanjem mnogih slika ovih sondi, slika u superrezoluciji može da prikaže veoma male objekte. Superrezolucija je otvorila potpuno novi svet u biologiji, otkrivajući strukture male čak 10 nanometara, što je otprilike veličine proteinskog molekula.
Međutim, fluorescentne sonde na koje se ova tehnika oslanja mogu se brzo istrošiti. Ovo ograničava njegovu upotrebu u proučavanju procesa koji se odvijaju tokom dužeg perioda, kao što je deljenje ćelija.
Moj istraživački tim i ja smo razvili rešenje koje zovemo PINE nanoskopija. Umesto da apsorbuju svetlost kao što to čine tradicionalne fluorescentne sonde, sonde koje koristimo rasipaju svetlost tako da se ne pokvare pri ponovljenom izlaganju svetlosti.
Da bismo rešili veoma male objekte koji su blizu jedan drugom, napravili smo filtere napravljene od tankih slojeva polimera i tečnih kristala koji omogućavaju detekciju rasejane svetlosti, što pokreće sonde da se uključe i isključuju. Ovo nam je omogućilo da vidimo detalje ćelija u nanometarskoj skali koje bi inače bile zamućene tradicionalnim mikroskopima.
Zanimljivo je da smo otkrili da se ovi detalji nanometarske skale mogu posmatrati tokom veoma dugih perioda – preko 250 sati. Ovi detalji bi se obično izgubili tokom vremena sa tradicionalnim metodama superrezolucije.
Zatim smo primenili naš metod da proučimo kako se molekularni gradivni blokovi organizuju u deobi ćelija.
Fokusirali smo se na protein koji se zove aktin koji pomaže u održavanju ćelijske strukture, između mnogih drugih funkcija. Aktin je oblikovan kao razgranati filamenti, svaki prečnika oko 7 nanometara (milionitih delova milimetra), koji se međusobno povezuju i obuhvataju hiljade nanometara. Koristeći PINE nanoskopiju, pričvrstili smo sonde za raspršivanje na aktin da bismo vizuelno pratili ljudske ćelije dok su se delile.
Napravili smo tri zapažanja o tome kako se gradivni blokovi aktina organizuju tokom ćelijske deobe. Prvo, ovi molekularni gradivni blokovi se šire kako bi povećali svoje veze sa svojim susedima. Drugo, oni se takođe približavaju svojim susedima kako bi povećali svoje kontaktne tačke. I treće, rezultirajuće mreže imaju tendenciju da se skupljaju kada su molekuli aktina više povezani jedan sa drugim i da se šire kada su manje povezani jedan sa drugim.
Na osnovu ovih nalaza, uspeli smo da otkrijemo nove informacije o procesu deobe ćelija. Otkrili smo da se interakcije između blokova aktina sinhronizuju sa kontrakcijom i širenjem cele ćelije tokom deobe. Drugim rečima, ponašanje molekula aktina je povezano sa ponašanjem ćelije: ćelija se skuplja kada se aktin širi, a širi kada se aktin skuplja. Superrezoluciona mikroskopija je dobila Nobelovu nagradu za hemiju 2014.
Planiramo da koristimo naš metod da bismo proučavali kako se drugi molekularni gradivni blokovi organizuju u tkiva i organe. Poput ćelija, tkiva i organi su organizovani u hijerarhiji koja se može ispitati od malog do velikog. Ispitivanje dinamičnog i složenog procesa kako blokovi za izgradnju proteina međusobno deluju kako bi formirali veće strukture, moglo bi unaprediti buduće stvaranje novih zamenskih tkiva i organa, kao što su kožni transplantati.
Takođe planiramo da koristimo našu tehniku snimanja da bismo proučavali kako se proteinski gradivni blokovi dezorganizuju u bolesti. Proteini se organizuju u ćelije, ćelije se organizuju u tkiva, a tkiva se organizuju u organe. Veoma mala promena u građevinskim blokovima može poremetiti ovu organizaciju, sa efektima koji mogu dovesti do bolesti poput raka. Naša tehnika bi potencijalno mogla pomoći istraživačima da vizualizuju i, zauzvrat, bolje razumeju kako se molekularni defekti u tkivima i organima mogu razviti u bolest.
