Для биологов увидеть — значит поверить. Но иногда бывает очень сложно что-то разглядеть.
Одна из особенно трудных задач — одновременное наблюдение всех молекул в неповрежденном образце ткани с разрешением до уровня отдельных клеток. Определение локализации сотен или тысяч биомолекул — от липидов до метаболитов и белков — в их естественной среде позволяет исследователям лучше понять их функции и взаимодействия. К сожалению, у науки пока нет надежных инструментов для решения этой задачи.
Большинство видов микроскопии позволяет увидеть молекулы внутри клеток. Однако они могут отслеживать лишь небольшое количество молекул за раз и не способны детектировать все типы биомолекул, включая некоторые липиды. Другие методы, например обычная масс-спектрометрия, могут обнаруживать сотни молекул, но не работают с неповрежденными образцами, поэтому невозможно определить расположение биомолекул в живой клетке.
Перспективная технология — масс-спектрометрическая визуализация — решает часть этих проблем. Она позволяет исследователям одновременно наблюдать сотни молекул в неповрежденных тканях. Однако ее разрешение недостаточно для детектирования на уровне отдельных клеток.
Эта проблема мешает изучению фундаментальных механизмов старения и долголетия, сетует Мэн Ван, руководительница исследовательской группы в кампусе Janelia Медицинского института Говарда Хьюза.
В решении проблемы помог главный научный сотрудник Janelia Пол Тиллберг — один из разработчиков метода микроскопии расширения. Этот способ использует набухающий гидрогель для равномерного увеличения образца во всех направлениях, что позволяет различать мелкие детали — вплоть до суборганелл — с помощью обычного микроскопа.
Тиллберг, Ван и коллеги разработали новый метод, который позволяет постепенно расширять образцы тканей без молекулярной деградации, свойственной оригинальному подходу. Технология, описанная в Nature Methods, позволяет использовать масс-спектрометрическую визуализацию для одновременного детектирования сотен молекул на уровне отдельных клеток с сохранением их естественной локализации.
Методику проверили на мозжечке, и обнаружили, что молекулы — включая липиды, пептиды, белки, метаболиты и гликаны — распределены в его клетках не равномерно, как считалось ранее. Более того, каждый конкретный слой мозжечка имеет уникальный набор липидов, метаболитов и белков.
Посмотрели также биомолекулы в тканях почки, поджелудочной железы и опухолей, что подтвердило универсальность метода для разных типов тканей. В опухолевых тканях удалось визуализировать значительные вариации биомолекул, что может быть полезно для изучения молекулярных механизмов развития опухолей и даже помочь в разработке лекарств.
Она уверена, что новая технология позволит ученым отслеживать эти паттерны в процессе развития, старения и болезней, чтобы понять роль разных молекул в этих процессах.
Поскольку новый метод не требует модификации существующих масс-спектрометров, а технология микроскопии расширения относительно проста в освоении, команда надеется, что его будут использовать лаборатории по всему миру.
