Mikroskopi Tekniği Hücrelerde ve Dokularda Gizli Nanoyapıları Ortaya Çıkarıyor

Canlı bir hücrenin içindeki proteinler ve diğer moleküller genellikle sıkı bir şekilde paketlenir. Bu yoğun kümelerin görüntülenmesi zor olabilir, çünkü onları görünür hale getirmek için kullanılan floresan etiketler moleküller arasına giremez.

MIT araştırmacıları şimdi bu sınırlamanın üstesinden gelmek ve bu 'görünmez' molekülleri görünür kılmak için yeni bir yol geliştirdi. Teknikleri molekülleri etiketlemeden önce bir hücre veya doku örneğini genişleterek molekülleri 'kalabalıktan ayırmaya' izin verir, bu da molekülleri floresan etiketler için daha erişilebilir hale getirir.

Daha önce MIT tarafından geliştirilen genişletme mikroskobu olarak bilinen ve yaygın olarak kullanılan bir tekniğe dayanan bu yöntemin bilim insanlarının daha önce hiç görülmemiş molekülleri ve hücresel yapıları görselleştirmesine izin vermesi bekleniyor.

MIT biyolojik mühendislik ve beyin ve bilişsel bilimler profesörü Edward Boyden: "Genişletme sürecinin birçok yeni biyolojik keşfi ortaya çıkaracağı netleşiyor. Biyologlar ve klinisyenler beyinde veya başka bir biyolojik örnekte bir protein üzerinde çalışıyorlarsa ve onu düzenli bir şekilde etiketliyorlarsa tüm fenomen kategorilerini kaçırıyor olabilirler." dedi.

Boyden ve meslektaşları, bu tekniği kullanarak nöronların sinapslarında bulunan bir nanoyapıyı görüntüleyebileceklerini gösterdiler. Ayrıca Alzheimer hastalığına bağlı amiloid beta plaklarının yapısını daha önce mümkün olandan daha ayrıntılı olarak görüntülediler.

Media Lab'de yardımcı doçent ve çalışmanın baş yazarlarından biri olan Deblina Sarkar, "Genişletme ile açığa çıkarma olarak adlandırdığımız teknolojimiz, daha önce gizli kalan bu nanoyapıların akademik laboratuvarlarda kolayca bulunabilen donanımları kullanarak görselleştirilmesini sağlıyor." dedi.

Çalışma Nature Biomedical Engineering dergisinde yayınlandı.

Kalabalıktan Ayırma
Bir hücrenin içindeki belirli bir proteini veya başka bir molekülü görüntülemek, onu hedefe bağlanan bir antikor tarafından taşınan bir floresan etiketle etiketlemeyi gerektirir. Antikorlar yaklaşık 10 nanometre uzunluğundadır, tipik hücresel proteinler ise genellikle yaklaşık 2 ila 5 nanometre çapındadır, bu nedenle hedef proteinler çok yoğun bir şekilde paketlenirse antikorlar onlara ulaşamaz.

Bu engelin üstesinden gelmek için araştırmacılar proteinleri sağlam bırakırken dokuyu genişletmenin bir yolunu aradılar. Dokuyu yumuşatmak için enzim yerine ısı kullanarak dokunun tahrip olmadan 20 kat genişlemesini sağladılar. Daha sonra ayrılan proteinler floresan etiketlerle etiketlendi.

Etiketleme için erişilebilen çok daha fazla proteinle, araştırmacılar sinapslardaki küçük hücresel yapıları, yani proteinlerle yoğun şekilde paketlenmiş nöronlar arasındaki bağlantıları tanımlayabildiler. Yedi farklı sinaptik proteini etiketleyip görüntülediler; bu da diğer sinaptik proteinlerle hizalanmış kalsiyum kanallarından oluşan 'nanokolonların' ayrıntılı olarak görselleştirmelerine izin verdi.

Kang: "Bu teknoloji, nörodejeneratif hastalıklarda yer alan sinaptik proteinlerdeki işlev bozukluğu ile ilgili birçok biyolojik soruyu yanıtlamak için kullanılabilir. Şimdiye kadar sinapsları çok iyi görselleştirecek bir araç yoktu." dedi.

Yeni Örüntüler
Araştırmacılar, Alzheimer hastalarının beyinlerinde plaklar oluşturan bir peptit olan beta amiloidi görüntülemek için de yeni tekniklerini kullandılar. Araştırmacılar, farelerden alınan beyin dokusunu kullanarak, amiloid betanın daha önce görülmemiş olan periyodik nanokümeler oluşturduğunu buldular. Bu amiloid beta kümeleri ayrıca potasyum kanallarını da içerir. Araştırmacılar ayrıca aksonlar boyunca sarmal yapılar oluşturan amiloid beta molekülleri buldular.

Boyden ve grup üyeleri, Parkinson ve diğer hastalıklarla bağlantılı protein kümeleri gibi hücresel yapıları incelemek için şimdi diğer laboratuvarlarla birlikte çalışıyor. Diğer projelerde, beyindeki yaşlanmaya karışan hücreleri ve molekülleri enfekte eden patojenler üzerinde çalışıyorlar. Boyden, bu çalışmalardan elde edilen ön sonuçların yeni yapıları da ortaya çıkardığını söylüyor. "Klasik genişletilmemiş boyama ile ne kadar eksik olduğumuzu gördük." dedi.

Sarkar ve ekibi ise, beyinde dağıtılabilen, kablosuz olarak çalışan küçük nanoelektronik cihazlar geliştiriyor. Bu cihazları genişletme ile açığa çıkarma yöntemi ile birleştirmeyi planlıyorlar.