كشف مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا MIT في دراسة جديدة عن كيفية تفاعل الجزيئات الموجودة في الخلية للتحكم في سلوك الخلية، باستخدام ملصقات الفلورسنت Fluorescent التي يتم تشغيلها وإيقافها
يتم قصف الخلايا الحية بأنواع عديدة من الإشارات الجزيئية الواردة التي تؤثر على سلوكها. إن القدرة على قياس تلك الإشارات وكيفية استجابة الخلايا لها من خلال شبكات الإشارات الجزيئية يمكن أن تساعد العلماء على معرفة المزيد عن كيفية عمل الخلايا، بما في ذلك ما يحدث مع تقدم السن أو الإصابة بالمرض.
هذا النوع من الدراسات الشاملة غير ممكن لأن التقنيات الحالية لتصوير الخلايا تقتصر على عدد قليل من أنواع الجزيئات المختلفة داخل الخلية في وقت واحد. ومع ذلك، فقد طور الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طريقة بديلة تسمح لهم بمراقبة ما يصل إلى سبعة جزيئات مختلفة في وقت واحد، وربما أكثر من ذلك.
اختراق في التصوير الجزيئي
يقول إدوارد بويدن، أستاذ Y. Eva Tan في التكنولوجيا العصبية: “هناك العديد من الأمثلة في علم الأحياء حيث يؤدي حدث ما إلى سلسلة طويلة من الأحداث، والتي تؤدي بعد ذلك إلى وظيفة خلوية محددة”. “كيف يحدث ذلك؟ يمكن القول إنها واحدة من المشاكل الأساسية في علم الأحياء، ولذلك تساءلنا، هل يمكنك ببساطة مشاهدة ذلك يحدث؟
يستخدم النهج الجديد جزيئات الفلورسنت الخضراء أو الحمراء التي تومض وتنطفئ بمعدلات مختلفة. ومن خلال تصوير الخلية على مدار عدة ثوانٍ أو دقائق أو ساعات، ثم استخراج كل إشارة من إشارات الفلورسنت باستخدام خوارزمية حسابية، يمكن تتبع كمية كل بروتين مستهدف مع تغيره بمرور الوقت.
بويدن، وهو أيضًا أستاذ الهندسة البيولوجية وعلوم الدماغ والإدراك في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وباحث في معهد هوارد هيوز الطبي، وعضو في معهد ماكغفرن لأبحاث الدماغ التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومعهد كوخ لأبحاث السرطان التكاملية، بالإضافة إلى شارك في: مدير مركز K. Lisa Yang للإلكترونيات الإلكترونية، هو المؤلف الرئيسي للدراسة، التي نُشرت في 28 نوفمبر في مجلة Cell. باحث ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يونغ تشيان هو المؤلف الرئيسي لهذه الورقة.
التقدم في إشارات الفلورسنت
إن وضع العلامات على الجزيئات داخل الخلايا ببروتينات الفلورسنت قد سمح للباحثين بتعلم الكثيرعن وظائف العديد من الجزيئات الخلوية. غالبًا ما يتم إجراء هذا النوع من الدراسات باستخدام بروتين الفلورسنت الأخضر (GFP)، والذي تم نشره لأول مرة للتصوير في التسعينيات. منذ ذلك الحين، تم تطوير العديد من البروتينات الفلورية التي تتوهج بألوان أخرى للاستخدام التجريبي.
ستكون قادرًا على مشاهدة الإشارات في الخلية أثناء تقلبها في الوقت الفعلي، ومن ثم يمكنك فهم كيفية ارتباطها ببعضها البعض. يقول بويدن: “سيخبرك هذا بكيفية قيام الخلية بالحساب”. “المشكلة هي أنه لا يمكنك مشاهدة أشياء كثيرة في نفس الوقت.”
في عام 2020، طور مختبر بويدن “Boyden’s lab” طريقة لتصوير ما يصل إلى خمسة جزيئات مختلفة داخل الخلية في وقت واحد، من خلال استهداف المراسلات المتوهجة في مواقع مختلفة داخل الخلية. يسمح هذا النهج، المعروف باسم “تعدد الإرسال المكاني”، للباحثين بتمييز الإشارات الخاصة بالجزيئات المختلفة على الرغم من أنها قد تكون جميعها تتألق بنفس اللون.
في الدراسة الجديدة، اتخذ الباحثون نهجًا مختلفًا: فبدلاً من تمييز الإشارات بناءً على موقعها الفعلي، قاموا بإنشاء إشارات فلورية تختلف بمرور الوقت. تعتمد هذه التقنية على “الفلوروفورات القابلة للتحويل”، وهي بروتينات فلورية يتم تشغيلها وإيقافها بمعدل محدد. في هذه الدراسة، حدد بويدن وأعضاء فريقه أربعة فلوروفورات خضراء قابلة للتحويل، ثم صمموا اثنين آخرين، يتم تشغيلهما وإيقافهما جميعًا بمعدلات مختلفة. كما حددوا اثنين من بروتينات الفلورسنت الحمراء التي تتحول بمعدلات مختلفة، وقاموا بهندسة فلوروفور أحمر إضافي.
يمكن استخدام كل من هذه الفلوروفورات القابلة للتحويل لتسمية نوع مختلف من الجزيء داخل الخلية الحية، مثل الإنزيم أو بروتين الإشارة أو جزء من الهيكل الخلوي للخلية. بعد تصوير الخلية لعدة دقائق أو ساعات أو حتى أيام، يستخدم الباحثون خوارزمية حسابية لانتقاء الإشارة المحددة من كل فلوروفور، وهو ما يشبه الطريقة التي يمكن بها للأذن البشرية التقاط ترددات صوتية مختلفة.
“في الأوركسترا السيمفونية، لديك آلات عالية الطبقة، مثل الفلوت، وآلات منخفضة الطبقة، مثل آلة التوبا. وفي الوسط آلات مثل البوق. يقول بويدن: “إنهم جميعًا لديهم أصوات مختلفة، وآذاننا تفرزها”.
تُعرف التقنية الرياضية التي استخدمها الباحثون لتحليل إشارات الفلوروفور بالخلط الخطي. يمكن لهذه الطريقة استخراج إشارات فلوروفوري مختلفة، على غرار الطريقة التي تستخدم بها الأذن البشرية نموذجًا رياضيًا يُعرف باسم تحويل فورييه لاستخراج نغمات مختلفة من مقطوعة موسيقية.
بمجرد اكتمال هذا التحليل، يمكن للباحثين معرفة متى وأين تم العثور على كل من الجزيئات ذات العلامات الفلورية في الخلية خلال فترة التصوير بأكملها. ويمكن إجراء التصوير نفسه باستخدام مجهر ضوئي بسيط، دون الحاجة إلى معدات متخصصة.
استكشاف الظواهر البيولوجية
في هذه الدراسة، أظهر الباحثون نهجهم من خلال وضع علامات على ستة جزيئات مختلفة تشارك في دورة انقسام الخلايا، في خلايا الثدييات. وقد سمح لهم ذلك بتحديد الأنماط في كيفية تغير مستويات الإنزيمات التي تسمى الكينازات المعتمدة على السيكلين مع تقدم الخلية خلال دورة الخلية.
أظهر الباحثون أيضًا أنهم يستطيعون تصنيف أنواع أخرى من الكينازات، التي تشارك تقريبًا في كل جانب من جوانب إشارات الخلية، بالإضافة إلى هياكل الخلايا والعضيات، مثل الهيكل الخلوي والميتوكوندريا. بالإضافة إلى تجاربهم باستخدام خلايا الثدييات المزروعة في طبق المختبر، أظهر الباحثون أن هذه التقنية يمكن أن تعمل في أدمغة يرقات الزرد.
.يمكن أن تكون هذه الطريقة مفيدة لمراقبة كيفية استجابة الخلايا لأي نوع من المدخلات، مثل العناصر الغذائية، أو عوامل الجهاز المناعي، أو الهرمونات، أو الناقلات العصبية، وفقًا للباحثين. ويمكن استخدامه أيضًا لدراسة كيفية استجابة الخلايا للتغيرات في التعبير الجيني أو الطفرات الجينية. تلعب كل هذه العوامل أدوارًا مهمة في الظواهر البيولوجية مثل النمو والشيخوخة والسرطان والتنكس العصبي وتكوين الذاكرة.
يقول بويدن: “يمكنك اعتبار كل هذه الظواهر تمثل فئة عامة من المشاكل البيولوجية، حيث يؤدي حدث قصير المدى – مثل تناول مادة مغذية، أو تعلم شيء ما، أو الإصابة بالعدوى – إلى إحداث تغيير طويل المدى”.
بالإضافة إلى متابعة هذه الأنواع من الدراسات، يعمل مختبر بويدن أيضًا على توسيع مخزون الفلوروفورات القابلة للتحويل حتى يتمكنوا من دراسة المزيد من الإشارات داخل الخلية. ويأملون أيضًا في تكييف النظام بحيث يمكن استخدامه في نماذج الفئران
via: mit.edu
