Bioingeniører ved University of California, Berkeley, har oppdaget en teknikk som for første gang muliggjør påvisning av biomolekyler "dynamisk reaksjoner i en enkelt levende celle.
Ved å utnytte signaturen frekvensen der organiske og uorganiske molekyler absorberer lys, kan teamet av forskere, ledet av Luke Lee, professor i bioteknologi og direktør for UC Berkeleys biomolekylære Nanoteknologi Center, bestemme i sanntid om spesifikke enzymer er aktivert eller spesielle genene er uttrykt, alle med enestående oppløsning innenfor en enkelt levende celle.
Teknikken, som er beskrevet i den 18 november utgaven av tidsskriftet Nature Metoder, kan føre til en ny æra i molekylær avbildning med implikasjoner for cellebasert drug discovery og biomedisinsk diagnostikk.
Forskerne påpeker at andre teknikker, slik som nukleær magnetisk resonans, kan i beste fall gi informasjon om en klynge av celler. Men for å bestemme de tidligste tegn på sykdomsprogresjon eller stamcelleforskningen spredning, er det nødvendig å bore ned dypere til molekylære dynamikk innenfor en enkelt celle.
For å studere biokjemiske prosesser i en celle, forskere nå skjære gjennom sin ytre membran for å skille og analysere cellulære komponenter. Denne metoden kan aldri gi en sanntids oversikt over hvordan komponentene fungerer sammen fordi cellen blir drept i ferd med å trekke ut komponentene.
"Til nå har det ikke vært non-invasiv metode som eksisterer som kan fange opp den kjemiske fingeravtrykk av molekyler med nanoskala romlig oppløsning innenfor en enkelt levende celle," sier Lee, som også er co-direktør ved Berkeley Sensor og aktuator Senter . "Det er stort håp om at stamceller kan en dag bli brukt til å behandle sykdommer, men en av de største utfordringene på dette feltet er å forstå nøyaktig hvordan individuelle celler differensierer. Hva som skjer inne i en stamcelle som det utvikler seg til et hjerte muskel i stedet for en tann eller et hårstrå "For å finne ut, må vi se på telltale kjemiske signaler involvert som proteiner og gener fungere sammen i en celle."
Forskerne taklet denne utfordringen ved å forbedre ved konvensjonell optisk absorpsjon spektroskopi, en teknikk der lyset er gått gjennom en løsning av molekyler for å bestemme hvilke bølgelengder blir absorbert. Cytokrom c, for eksempel, er et protein involvert i celle metabolisme og celledød som har flere optiske absorpsjon topper på rundt 550 nanometer.
Den absorpsjonspektere av et molekyl kan endre basert på kjemiske endringer som oppstår som den vekselvirker med andre molekyler, slik som oksygen.
"For konvensjonelle optiske absorpsjonsspektroskopi å fungere, er en relativt høy konsentrasjon av biomolekyler og et stort volum av løsningen som trengs for å oppdage slike subtile endringer i frekvenser og absorpsjon topper," sa Lee. "Det er fordi optisk absorpsjon signaler fra en enkelt biomolekyl er veldig svake, så du må drepe hundrevis til millioner av celler for å fiske ut nok av målet molekylet for deteksjon."