研究微小細胞的運動(dòng)并非易事。對于染色質(zhì)，包含在我們基因組中的DNA，RNA和蛋白質(zhì)大分子組，運動(dòng)是其作為我們的基因如何表達或抑制的調節器的積極作用的組成部分。

“了解大分子運動(dòng)至關(guān)重要，但科學(xué)家們對此知之甚少，”西北大學(xué)生物醫學(xué)工程學(xué)教授沃爾特·迪爾·斯科特說(shuō)。“部分原因是因為我們缺乏觀(guān)察這些過(guò)程的工具技術(shù)。”

現在，由Backman領(lǐng)導的McCormick工程學(xué)院的一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)了一種新的光學(xué)技術(shù)來(lái)研究細胞的運動(dòng)，而不使用標記或染料來(lái)跟蹤它們。這種創(chuàng )新方法還揭示了一種未被發(fā)現的現象，可能在細胞死亡的早期階段發(fā)揮作用。

該團隊的見(jiàn)解于4月10日在NatureCommunications雜志上發(fā)表。該論文的標題是“基于多模態(tài)干涉的納米級結構成像和大分子運動(dòng)揭示紫外誘導的細胞發(fā)作”。

雖然科學(xué)家們目前可以使用分子染料或標簽跟蹤細胞的運動(dòng)，但這種做法存在局限性。染料是有毒的，并且在最終殺死它們之前改變細胞的行為。標簽附著(zhù)在細胞上，可能有毒或導致光漂白，并可警告它們標記的分子的運動(dòng)。

這項名為dual-PWS的新技術(shù)不含標簽，可以在不使用染料的情況下成像和測量大分子運動(dòng)。基于Backman先前創(chuàng )建的定量成像技術(shù)（稱(chēng)為偏振波光譜（PWS）），該平臺利用來(lái)自反向散射光的干涉和圖案變化來(lái)監測細胞的大分子結構及其動(dòng)態(tài)運動(dòng)。

“像一個(gè)基因的轉錄或受損蛋白質(zhì)修復這樣的關(guān)鍵過(guò)程需要在高度緊湊的復雜環(huán)境中同時(shí)運動(dòng)許多分子，”Backman實(shí)驗室的博士生兼該研究的第一作者ScottGladstein說(shuō)。“作為一種能夠測量活細胞內細胞內結構和大分子動(dòng)力學(xué)的成像平臺，對結構小至20nm的靈敏度具有毫秒級的時(shí)間分辨率，雙PWS平臺特別適合我們研究這些過(guò)程。”

研究人員通過(guò)研究體外真核細胞染色質(zhì)的納米級結構和動(dòng)態(tài)變化來(lái)應用雙PWS平臺。利用紫外線(xiàn)誘導細胞死亡，研究小組測量了細胞染色質(zhì)的運動(dòng)方式。

“有意義的是，隨著(zhù)細胞即將死亡，它們的動(dòng)力會(huì )減弱，”巴克曼說(shuō)。“活細胞中存在的促進(jìn)運動(dòng)有助于表達基因并改變它們對刺激作出反應的表達。我們期待這一點(diǎn)。”

研究人員沒(méi)想到的是第一次目睹生物現象。Backman說(shuō)，細胞在衰變期間達到“不歸點(diǎn)”，即使細胞損傷的來(lái)源停止，細胞也無(wú)法自我修復到正常狀態(tài)。使用雙PWS平臺，研究人員觀(guān)察到，就在這個(gè)轉折點(diǎn)之前，細胞的基因組突然快速，瞬間運動(dòng)，細胞的不同部分似乎隨機移動(dòng)。

“我們測試的每一個(gè)注定死亡的細胞經(jīng)歷了這種陣發(fā)性的混蛋。它們都不會(huì )在它發(fā)生后恢復到可行的狀態(tài)，”負責西北大學(xué)新的物理基因組學(xué)和工程中心的Backman說(shuō)。

該團隊尚不清楚為何或如何發(fā)生稱(chēng)為細胞發(fā)作的現象。Backman最初想知道這種運動(dòng)是否可能是由于離子進(jìn)入細胞，但這樣的過(guò)程需要花費太長(cháng)時(shí)間。細胞結構的不協(xié)調運動(dòng)發(fā)生在毫秒之內。

“生物學(xué)中沒(méi)有任何東西可以快速移動(dòng)，”巴克曼說(shuō)。他補充說(shuō)，他的實(shí)驗室成員對結果感到非常驚訝，他們開(kāi)玩笑說(shuō)這種現象可以解釋為“中間人”離開(kāi)牢房，這是星球大戰電影中“力量”的化學(xué)體現。

雖然細胞發(fā)作仍然是一個(gè)謎，但Backman認為該研究小組的研究結果強調了研究活細胞大分子行為的重要性。研究人員對染色質(zhì)的了解越多，他們就越有可能有一天能夠調節基因表達，這可能會(huì )改變人們對癌癥和老年癡呆癥等疾病的治療方式。

“你能想象的每一個(gè)生物過(guò)程都涉及某種大分子重排，”巴克曼說(shuō)。“隨著(zhù)我們擴大研究范圍，我不禁懷疑，'接下來(lái)我們會(huì )發(fā)現什么？'”

西北工程公司的GuillermoAmeer，DanielWilliamsHale生物醫學(xué)工程教授和IgalSzleifer，ChristinaEnroth-Cugell生物醫學(xué)工程教授也為這項研究做出了貢獻。