“萤火虫”成像法可视化细胞内部机械力

【字体: 时间:2020年09月24日 来源:

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  科学家们开发了一种新技术,利用发光的DNA工具,在分子水平上可视化细胞的机械力。

  

科学家们开发了一种新技术,利用发光的DNA工具,在分子水平上可视化细胞的机械力。

埃默里化学教授、该项研究的资深作者Khalid Salaita说:“通常情况下,光学显微镜不能分辨小于光波长度(约500纳米)的物体的图像。我们发现了一种利用光学成像的最新进展和我们分子DNA传感器捕捉25纳米的力的方法。这个分辨率就像是在月球上,看到雨滴撞击地球湖面所引起的涟漪。”

几乎每一个生物过程都涉及机械力,从细胞分裂到血液凝固,再到产生免疫反应。“了解细胞如何应用力和感觉力可能有助于开发治疗许多不同疾病的新疗法,”Salaita说,他的实验室是设计生物机械力图像和绘图方法的领导者。

这篇论文的第一作者,Joshua Brockman和Hanquan Su,他们是Salaita实验室的研究生,两人最近都拿到了博士学位。

研究人员将合成的DNA链转化成分子张力探针,其中包含隐藏的口袋。探针附着在细胞表面的受体上。用荧光标记的自由漂浮的DNA片段作为成像仪。当未固定的DNA片段在显微镜视频中快速移动时,它们会产生光带。

当细胞在一个特定的受体部位施力时,连接的探针会伸展开来,使隐藏的口袋打开,释放出储存在里面的DNA卷须。自由漂浮的DNA片段被设计成与这些DNA卷须对接。当荧光状的DNA片段对接时,它们会短暂地退出,在显微镜视频中显示为静止的光点。

对这个过程进行了数小时的显微镜视频,然后加速显示光点如何随时间变化,提供细胞机械力的分子水平视图。

研究人员用萤火虫来比喻这个过程。

Brockman说:“想象一下,在一个没有月亮的夜晚,在一片田野里,有一棵树因为漆黑一片而看不见,不知为什么,萤火虫很喜欢那棵树。当它们落在所有的树枝和树干上时,你可以慢慢地建立一个树的轮廓图像。如果你真的有耐心的话,你甚至可以通过记录萤火虫如何随着时间的推移而改变降落点来发现树枝在风中摇曳。”

毕业于埃默里化学系,现在是Salaita实验室博士后的Su说:“在高分辨率下描绘活细胞力是非常具有挑战性的。我们技术的一大优势是它不会干扰细胞的正常行为或健康。”

他补充道,另一个优点是,A、G、T和C的DNA碱基以特定的方式自然地相互结合,可以在探针和成像系统中进行工程设计,以控制特异性并在细胞内一次映射多种力。

Brockman说:“最终,我们也许能够将细胞的各种机械活动与特定蛋白质或细胞机械的其他部分联系起来。这可能使我们能够决定如何改变细胞来改变和控制它的力量。”

通过使用这项技术对血小板的机械力进行成像和绘图,研究人员发现血小板具有集中的机械张力核心和不断收缩的薄边缘。“我们以前看不到这种模式,但现在我们有了一个清晰的图像,”Salaita说。“这些机械力是如何控制血栓形成和凝血的?我们想对其进行更多的研究,看看它们是否可以作为预测凝血障碍的一种方法。”

正如越来越多的高功率望远镜允许我们发现行星、恒星和宇宙的力量一样,更高功率的显微镜使我们能够对我们自己的生物学进行发现。

“我希望这项新技术能带来更好的方法,不仅能在实验室培养皿中观察单个细胞的活动,还能了解实际生理条件下细胞与细胞之间的相互作用,”Su说。“这就像打开了一扇新的大门,进入了一个很大程度上未被探索的领域——我们内心的力量。”

原文检索:Live-cell super-resolved PAINT imaging of piconewton cellular traction forces

(生物通:伍松)

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