研究微小細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)并非易事。對(duì)于染色質(zhì)，包含在我們基因組中的DNA，RNA和蛋白質(zhì)大分子組，運(yùn)動(dòng)是其作為我們的基因如何表達(dá)或抑制的調(diào)節(jié)器的積極作用的組成部分。

“了解大分子運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要，但科學(xué)家們對(duì)此知之甚少，”西北大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)教授沃爾特·迪爾·斯科特說(shuō)。“部分原因是因?yàn)槲覀內(nèi)狈τ^察這些過(guò)程的工具技術(shù)。”

現(xiàn)在，由Backman領(lǐng)導(dǎo)的McCormick工程學(xué)院的一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)了一種新的光學(xué)技術(shù)來(lái)研究細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)，而不使用標(biāo)記或染料來(lái)跟蹤它們。這種創(chuàng)新方法還揭示了一種未被發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，可能在細(xì)胞死亡的早期階段發(fā)揮作用。

該團(tuán)隊(duì)的見(jiàn)解于4月10日在NatureCommunications雜志上發(fā)表。該論文的標(biāo)題是“基于多模態(tài)干涉的納米級(jí)結(jié)構(gòu)成像和大分子運(yùn)動(dòng)揭示紫外誘導(dǎo)的細(xì)胞發(fā)作”。

雖然科學(xué)家們目前可以使用分子染料或標(biāo)簽跟蹤細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)，但這種做法存在局限性。染料是有毒的，并且在最終殺死它們之前改變細(xì)胞的行為。標(biāo)簽附著在細(xì)胞上，可能有毒或?qū)е鹿馄祝⒖删嫠鼈儤?biāo)記的分子的運(yùn)動(dòng)。

這項(xiàng)名為dual-PWS的新技術(shù)不含標(biāo)簽，可以在不使用染料的情況下成像和測(cè)量大分子運(yùn)動(dòng)?；贐ackman先前創(chuàng)建的定量成像技術(shù)（稱為偏振波光譜（PWS）），該平臺(tái)利用來(lái)自反向散射光的干涉和圖案變化來(lái)監(jiān)測(cè)細(xì)胞的大分子結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。

“像一個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄或受損蛋白質(zhì)修復(fù)這樣的關(guān)鍵過(guò)程需要在高度緊湊的復(fù)雜環(huán)境中同時(shí)運(yùn)動(dòng)許多分子，”Backman實(shí)驗(yàn)室的博士生兼該研究的第一作者ScottGladstein說(shuō)。“作為一種能夠測(cè)量活細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)和大分子動(dòng)力學(xué)的成像平臺(tái)，對(duì)結(jié)構(gòu)小至20nm的靈敏度具有毫秒級(jí)的時(shí)間分辨率，雙PWS平臺(tái)特別適合我們研究這些過(guò)程。”

研究人員通過(guò)研究體外真核細(xì)胞染色質(zhì)的納米級(jí)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化來(lái)應(yīng)用雙PWS平臺(tái)。利用紫外線誘導(dǎo)細(xì)胞死亡，研究小組測(cè)量了細(xì)胞染色質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方式。

“有意義的是，隨著細(xì)胞即將死亡，它們的動(dòng)力會(huì)減弱，”巴克曼說(shuō)。“活細(xì)胞中存在的促進(jìn)運(yùn)動(dòng)有助于表達(dá)基因并改變它們對(duì)刺激作出反應(yīng)的表達(dá)。我們期待這一點(diǎn)。”

研究人員沒(méi)想到的是第一次目睹生物現(xiàn)象。Backman說(shuō)，細(xì)胞在衰變期間達(dá)到“不歸點(diǎn)”，即使細(xì)胞損傷的來(lái)源停止，細(xì)胞也無(wú)法自我修復(fù)到正常狀態(tài)。使用雙PWS平臺(tái)，研究人員觀察到，就在這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)之前，細(xì)胞的基因組突然快速，瞬間運(yùn)動(dòng)，細(xì)胞的不同部分似乎隨機(jī)移動(dòng)。

“我們測(cè)試的每一個(gè)注定死亡的細(xì)胞經(jīng)歷了這種陣發(fā)性的混蛋。它們都不會(huì)在它發(fā)生后恢復(fù)到可行的狀態(tài)，”負(fù)責(zé)西北大學(xué)新的物理基因組學(xué)和工程中心的Backman說(shuō)。

該團(tuán)隊(duì)尚不清楚為何或如何發(fā)生稱為細(xì)胞發(fā)作的現(xiàn)象。Backman最初想知道這種運(yùn)動(dòng)是否可能是由于離子進(jìn)入細(xì)胞，但這樣的過(guò)程需要花費(fèi)太長(zhǎng)時(shí)間。細(xì)胞結(jié)構(gòu)的不協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)發(fā)生在毫秒之內(nèi)。

“生物學(xué)中沒(méi)有任何東西可以快速移動(dòng)，”巴克曼說(shuō)。他補(bǔ)充說(shuō)，他的實(shí)驗(yàn)室成員對(duì)結(jié)果感到非常驚訝，他們開(kāi)玩笑說(shuō)這種現(xiàn)象可以解釋為“中間人”離開(kāi)牢房，這是星球大戰(zhàn)電影中“力量”的化學(xué)體現(xiàn)。

雖然細(xì)胞發(fā)作仍然是一個(gè)謎，但Backman認(rèn)為該研究小組的研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了研究活細(xì)胞大分子行為的重要性。研究人員對(duì)染色質(zhì)的了解越多，他們就越有可能有一天能夠調(diào)節(jié)基因表達(dá)，這可能會(huì)改變?nèi)藗儗?duì)癌癥和老年癡呆癥等疾病的治療方式。

“你能想象的每一個(gè)生物過(guò)程都涉及某種大分子重排，”巴克曼說(shuō)。“隨著我們擴(kuò)大研究范圍，我不禁懷疑，'接下來(lái)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)什么？'”

西北工程公司的GuillermoAmeer，DanielWilliamsHale生物醫(yī)學(xué)工程教授和IgalSzleifer，ChristinaEnroth-Cugell生物醫(yī)學(xué)工程教授也為這項(xiàng)研究做出了貢獻(xiàn)。