Біолюмінесцентні зображення клітин отримують підсвічування
Біолюмінесцентні зображення клітин отримують підсвічування
10 February 2025, 8:49
Зображення живих клітин за допомогою флуоресцентних білків вже давно стало ключовим методом для розуміння клітинної поведінки. Хоча біолюмінесцентні білки мають низку переваг над флуоресцентними, обмежений вибір кольорів ускладнював одночасне спостереження за кількома мішенями. Тепер дослідники з SANKEN (Інституту наукових і промислових досліджень) при Університеті Осаки розробили революційний метод розширення кольорової палітри біолюмінесцентного білка до 20 різних кольорів, що уможливило вдосконалену одночасну багатоколірну візуалізацію.
Клітини є фундаментальними будівельними блоками життя. Розуміння того, як вони функціонують, має важливе значення для прогресу в біологічних науках, медицині та створенні ліків. Методи оптичного мічення дозволяють вченим спостерігати за поведінкою клітин, відстежувати їхню долю та ідентифікувати клітини з певними ознаками. Хоча флуоресцентні білки широко використовуються для цих цілей, біолюмінесцентні білки набувають все більшої популярності завдяки своїм унікальним перевагам.
Біолюмінесценція, природне випромінювання світла живими організмами, забезпечується хімічною реакцією, що каталізується ферментом, зазвичай люциферазою, який діє на біолюмінесцентний субстрат. На відміну від флуоресцентних білків, біолюмінесцентні білки не потребують зовнішнього світла для збудження, що дозволяє уникнути таких проблем, як фототоксичність і фонове світло. Однак їх використання обмежене невеликою кількістю доступних кольорів. Наявність чітких і легко розрізнених кольорів є життєво важливою для одночасного відстеження декількох цілей.
Раніше було створено п'ятиколірну серію біолюмінесцентних міток шляхом з'єднання однієї з найяскравіших люцифераз, NanoLuc, з флуоресцентним білком. Цей метод використовує передачу енергії збудженого стану від субстрату до флуоресцентного білка, змінюючи колір біолюмінесценції. Хоча ця п'ятиколірна палітра була ефективною, її було недостатньо для більш складних потреб візуалізації. Дослідники з Університету Осаки вирішили цю проблему, розширивши палітру біолюмінесцентних кольорів до 20, зробивши значний стрибок уперед у технології багатоколірної візуалізації.
"Замість того, щоб поєднувати NanoLuc з одним флуоресцентним білком, ми поєднали його з двома, - каже провідний автор Міцуру Хатторі (Mitsuru Hattori). «Такий підхід дозволив нам отримати доступ до набагато ширшого спектру кольорів біолюмінесценції шляхом точного налаштування комбінацій флуоресцентних білків».
Дослідники досягли значного прогресу завдяки своїм новим біолюмінесцентним білковим міткам. Вони отримали одномоментне зображення суміші клітин, що експресують всі 20 біолюмінесцентних білків, використали мітки для візуалізації окремих субклітинних компонентів і навіть продемонстрували їхню здатність на живих мишах. Крім того, вони успішно провели часові спостереження за поведінкою клітин протягом декількох годин, одночасно відстежуючи сім різних міток.
Рис. 1. Зміни спектра в еНЛ при введенні двоакцепторного БРЕТ.
(А) Схематичне зображення змін спектра в посиленому наноліхтарі (eNL) з подвійним акцептором. (B) Білкові структури люцифераз. mTQ2, mTurquoise2; mNG, mNeonGreen. eGFP був приєднаний до С-кінця CeNL. (C) Зображення біолюмінесценції очищених варіантів Nluc та eNL, отримані за допомогою камери смартфона. До очищених білків були додані субстрати. Час експозиції: 0,5 с. (D) Спектри біолюмінесценції варіантів eNL. Інтенсивність нормалізована до відповідних пікових значень.
«По-справжньому захоплюючим є те, що ми змогли виявити всі 20 кольорів одночасно, без будь-якої затримки в часі, за допомогою стандартної камери смартфона», - пояснює старший автор Такехару Нагаї (Takeharu Nagai). «Ця інновація значно спрощує і робить більш економічно ефективним моніторинг декількох цілей або відстеження окремих клітин у популяції».
Рис. 2. Двадцять кольорових варіантів біолюмінесцентних білків, eNLEX.
(А) Колонії E. coli, що експресують кожен біолюмінесцентний білок. Показано зображення у світлому полі (ліворуч), зображення біолюмінесценції (посередині) та збільшене зображення білого квадрата (праворуч). Час експозиції для біолюмінесценції: 10 с. Масштабна лінійка 10 мм. (B) Зображення біолюмінесценції очищених членів eNLEX, отримані за допомогою камери смартфона. 1: mCRedNL-tdT, 2: mCXL7NL, 3: CeNL-tdT, 4: mCXL2NL, 5: Nluc, 6: CeNL, 7: CeNL-eGFP, 8: GeNL, 9: YeNL, 10: OeNL-mTQ2, 11: OeNL-eGFP, 12: OeNL-Venus, 13: GeNL-tdT, 14: OeNL, 15: OeNL-mKOκ, 16: OeNL-tdT, 17: ReNL-eGFP, 18: ReNL-Venus, 19: ReNL-mKOκ, 20: ReNL. Час експозиції: 0,5 с.
Ці нещодавно розроблені біолюмінесцентні барвники мають потенціал для революції у відстеженні долі клітин, пропонуючи розуміння того, як клітини перетворюються на певні типи клітин та ідентифікуючи клітини з унікальною реакцією на лікарські препарати. Прорив команди в біолюмінесцентній візуалізації відкриває нові можливості для розвитку біологічних досліджень, розробки ліків та медичної науки. З такою яскравою «веселкою» біолюмінесцентних кольорів, хто знає, які наукові скарби чекають на нас попереду?
Джерело: Mitsuru Hattori, Tetsuichi Wazawa, Mariko Orioka, Yuki Hiruta, Takeharu Nagai. Creating coveted bioluminescence colors for simultaneous multi-color bioimaging. Science Advances, 2025; 11 (4) DOI: 10.1126/sciadv.adp4750
