Doğanın Yok Olma Eyleminin Kilidini Açmak: İnsan Hücreleri Kalamar Kamuflajının Sırlarını Çözüyor

Araştırmacılar, kültürlenebilen ve potansiyel olarak daha iyi hücre görüntüleme tekniklerine yol açan memeli hücrelerindeki kalamar derisi hücrelerinin ayarlanabilir şeffaflığını kopyaladılar. Kaliforniya Üniversitesi, Irvine’deki ekip, lökofor adı verilen kafadanbacaklı hücrelere odaklandı ve insan hücrelerine reflektif proteinleri kodlayan kalamar türevi genleri tanıttı. Hücrelerin kültür ortamına tuz ekleyerek, hücrelerin opaklığını değiştiren nanoyapılar oluşturan yansıtıcı proteinleri gözlemlediler. Çalışma, kalamar biyolojisinin anlaşılmasına yardımcı olmakla kalmıyor, aynı zamanda içsel optik özelliklere dayalı gelişmiş hücre görüntüleme stratejileri için olasılıklar sunuyor.

İnsan Hücreleri, Araştırmacıların Kalamar Kamuflajını Anlamasına Yardımcı Oluyor

Mürekkep balıkları ve ahtapotlar yırtıcılardan veya sürpriz avlardan kaçmak için çevrelerine karışan kamuflaj ustalarıdır. Bu kafadanbacaklıların nasıl tersine çevrilebilir şekilde şeffaf hale geldiklerinin bazı yönleri, büyük ölçüde araştırmacıların laboratuvarda kafadanbacaklı deri hücrelerini kültürleyememeleri nedeniyle hala “belirsiz”. Ancak bugün araştırmacılar, memeli hücrelerinde kültürlenebilen bazı kalamar derisi hücrelerinin ayarlanabilir şeffaflığını kopyaladıklarını bildiriyorlar. Çalışma, yalnızca temel kalamar biyolojisine ışık tutmakla kalmadı, aynı zamanda birçok hücre türünü görüntülemenin daha iyi yollarına da yol açtı.

Araştırmacılar, sonuçlarını American Chemical Society’nin (ACS) bahar toplantısında sunacaklar. ACS Bahar 2023, 26-30 Mart tarihlerinde sanal olarak ve yüz yüze yapılan karma bir toplantıdır ve çok çeşitli bilim konularında 10.000’den fazla sunum içerir.

Uzun yıllardır, Alon Gorodetsky, Ph.D. ve araştırma grubu kalamardan ilham alan malzemeler üzerinde çalışıyor. Geçmişte yaptıkları çalışmalarda, yapışkan bant üzerine yapıştırılmış, bakteriyel olarak üretilmiş kalamar yansıtan proteinlerden oluşan “görünmezlik çıkartmaları” geliştirdiler. Projenin baş araştırmacısı olan Gorodetsky, “O zaman, kalamar derisi dokularının insan hücre kültürlerindeki şeffaflığı değiştirme yeteneğinin bazı yönlerini yakalayıp yakalayamayacağımızı görmek için bu çılgınca fikrimiz vardı” diyor.

{11 }

Araştırmacılar, memeli hücrelerine kalamar proteinlerini dahil ederek, hücrelerin saydamlığını berraktan bulutluya ayarlayabilirler (ölçek çubuğu 10 µm’dir). Kredi: ACS Biomaterials Science & Engineering’den uyarlanmıştır, 2023, DOI: 10.1021/acsbiomaterials.2c00088

Irvine, California Üniversitesi’ndeki ekip, çabalarını lökofor adı verilen ve partikülat- ışığı saçan yansıtıcı proteinlerden oluşan nanoyapılar gibi. Tipik olarak, yansımalar bir araya toplanır ve nanoparçacıkları oluşturur, bu nedenle ışık emilmez veya doğrudan iletilmez; bunun yerine ışık saçılır veya onlardan yansır ve lökoforların parlak beyaz görünmesine neden olur.

“Memeli hücrelerini geçici olarak değil kararlı bir şekilde, saçılmayı daha iyi kontrol edebileceğimiz yansıtıcı nanoyapılar oluşturacak şekilde tasarlamak istedik. hafif,” diyor Gorodetsky. Bunun nedeni, hücreler ışığın çok az saçılmayla geçmesine izin verirse, daha şeffaf görünecekleridir. Alternatif olarak, çok daha fazla ışık saçarak hücreler opaklaşacak ve daha belirgin hale gelecektir. “Daha sonra, hücresel düzeyde, hatta kültür düzeyinde, hücrelerin şeffaflığını çevreye veya arka plana göre tahmin edilebileceği gibi değiştirebileceğimizi düşündük,” diyor.

Işığın kültürlenmiş hücrelerle etkileşimini değiştirmek için , sonuçları sunan Gorodetsky’nin laboratuvarında yüksek lisans öğrencisi olan Georgii Bogdanov, daha sonra proteini üretmek için DNA’yı kullanan insan hücrelerine yansımayı kodlayan kalamar türevi genleri tanıttı. Bogdanov, “Deneylerimizdeki önemli bir ilerleme, hücrelerin istikrarlı bir şekilde reflektif üretmesini ve görece yüksek kırılma indislerine sahip ışık saçan nanoyapılar oluşturmasını sağlamaktı, bu da hücreleri üç boyutlu olarak daha iyi görüntülememizi sağladı,” diyor Bogdanov.

Deneylerde ekip, hücrelerin kültür ortamına tuz ekledi ve yansıtıcı proteinlerin nanoyapılarda bir araya topaklandığını gözlemledi. Tuz konsantrasyonunu sistematik olarak artıran Bogdanov, nanoyapıların özelliklerinin ayrıntılı, hızlandırılmış 3D görüntülerini elde etti. Nanoparçacıklar büyüdükçe hücrelerden yansıyan ışık miktarı arttı ve sonuç olarak opaklıkları ayarlandı.

Ardından, COVID-19 salgını patlak verdi ve araştırmacıları, araştırmalarını ilerletmek için ne yapabileceklerini merak etmeye bıraktı. fiziksel olarak laboratuvarda olmadan. Bu nedenle Bogdanov, evindeki zamanını, bir hücrenin beklenen ışık saçılımını ve saydamlığını bir deney yapılmadan önce tahmin edebilecek hesaplamalı modeller geliştirerek geçirdi. Gorodetsky, “Bu, teori ve deneyler arasında, yansıtıcı nanoyapılar için tasarım parametrelerini beslediğiniz, belirli tahmin edilen optik özellikleri elde ettiğiniz ve ardından hücreleri daha verimli bir şekilde tasarladığınız güzel bir döngüdür – ilginizi çekebilecek her türlü ışık saçılımı özelliği için” diye açıklıyor. .

Temel düzeyde Gorodetsky, bu sonuçların bilim adamlarının laboratuvar ortamında başarılı bir şekilde kültürlenmemiş kalamar derisi hücrelerini daha iyi anlamalarına yardımcı olacağını öne sürüyor. Örneğin, önceki araştırmacılar, ayarlanabilir kalamar lökoforlarının şeffaflığını değiştirmek için yansıtıcı nanoparçacıkların sökülüp yeniden birleştirildiğini varsaydılar. Ve şimdi Gorodetsky’nin ekibi, kararlı tasarlanmış memeli hücrelerinde tuz konsantrasyonundaki basit değişikliklerle benzer yeniden düzenlemelerin meydana geldiğini gösterdi; bu mekanizma, ayarlanabilir kalamar hücrelerinde gözlemlenene benzer görünen bir mekanizma.

Araştırmacılar şimdi optimize ediyorlar hücrelerinin içsel optik özelliklerine dayalı olarak daha iyi hücresel görüntüleme stratejileri tasarlama teknikleri. Gorodetsky, yansıtıcı proteinlerin, insan hücrelerinin içinde ağartılmayacak, genetik olarak kodlanmış etiketler olarak hareket edebileceğini öngörüyor. Bogdanov, “Moleküler bir sonda olarak yansıma, hücrelerdeki yapıları gelişmiş mikroskopi teknikleriyle izlemek için pek çok olanak sağlıyor” diye ekliyor. Örneğin bilim adamları, çalışmalarına dayalı görüntüleme yaklaşımlarının hücre büyümesini ve gelişimini daha iyi anlamak için çıkarımları olabileceğini öne sürüyorlar.

Toplantı: ACS Bahar 2023

Başlık{ 16} Kafadanbacaklılardan ilham alan dinamik optik sistemler

Özet
Kafadanbacaklılar (ör. kalamar, ahtapot ve mürekkepbalığı), sahip oldukları özellikler nedeniyle hem genel halkın hem de bilim adamlarının hayal gücünü aynı şekilde büyülemiştir. sofistike sinir sistemleri, karmaşık davranış kalıpları ve görsel olarak çarpıcı renk değişiklikleri. Ayarlanabilir kafadanbacaklı deri hücrelerinin yapılarından ve işlevselliklerinden ilham alarak, yeniden yapılandırılabilir protein tabanlı fotonik mimariler içeren ve sonuç olarak ayarlanabilir şeffaflık değiştirme ve ışık saçma özelliklerine sahip insan hücreleri tasarladık ve ürettik (1). Buna karşılık, benzer tasarlanmış hücrelerin kırılma indisi dağılımlarını üç boyutlu etiketsiz holotomografik mikroskopi teknikleri ile görselleştirdik ve sonuç olarak, bunların genel optik özellikleri ile hücre altı ince yapıları arasındaki ilişkinin ayrıntılı bir anlayışını geliştirdik (2) . Ayrıca bu çabaları, hem in vitro hem de in vivo (2,3) olarak, çok sayıda kendi kendine birleştirilmiş protein tabanlı platformun kırılma indekslerinin ve ışık saçılma özelliklerinin öngörücü mühendisliğine kadar genişlettik. Son olarak, hücre altı yapılarımızın boyutlarını, sayılarını ve kırılma indekslerini manipüle etmek için gelişmiş kimyasal ve genetik stratejiler geliştirdik (4). Birleştirilmiş bulgularımız, kafadanbacaklı kamuflaj mekanizmalarının daha iyi anlaşılmasını kolaylaştırabilir ve biyofotonik ve biyomühendislik alanındaki uygulamalar için benzersiz araçların geliştirilmesine yol açabilir.

Araştırmacılar, Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı ve ABD Hava Kuvvetleri Ofisi’nden fon sağlandığını kabul eder. Bilimsel Araştırma.