ДНК усередині клітини постійно змінює свою форму та упаковку, але побачити цей процес наживо надзвичайно складно. Тепер учені створили спеціальні флуоресцентні барвники, які можуть «підсвічувати» ДНК у живих клітинах і дозволяти мікроскопу відстежувати її розташування.
І це не просто красиві знімки. Новий метод уже допоміг дослідникам побачити різницю між тим, як ДНК упакована у здорових і ракових клітинах.
ДНК довжиною два метри ховається всередині крихітного ядра
Якщо розгорнути всю ДНК лише однієї людської клітини, її довжина становитиме приблизно 2 метри. Але вся ця молекула поміщається всередині ядра, розмір якого мікроскопічно малий. Для цього ДНК щільно намотується на спеціальні білки, утворюючи структуру під назвою хроматин.
І тут починається найцікавіше: те, наскільки щільно упакована ДНК, впливає на роботу генів. Одні ділянки стають доступнішими й можуть активуватися, інші ховаються всередині щільнішої структури. Тобто форма упаковки ДНК — це не просто спосіб заощадити місце. Вона безпосередньо пов’язана з тим, які гени працюють у клітині.
Старі методи буквально «вбивали» клітину
Дослідники давно намагаються отримати детальні карти ДНК усередині ядра. Проблема в тому, що звичайний оптичний мікроскоп не здатен розрізнити структури, розташовані ближче приблизно ніж на 200 нанометрів. А всередині ядра все набагато дрібніше.
Щоб отримати чіткіші зображення, вченим зазвичай доводиться використовувати агресивні хімічні речовини та дуже потужне лазерне випромінювання. Такі умови погано сумісні з живими клітинами. Тому більшість наддетальних зображень того, як виглядає ДНК, отримували вже після того, як клітини були знищені та хімічно зафіксовані. Тепер ситуація може змінитися.
Барвники, які самі «блимають»
Команда дослідників створила нове сімейство флуоресцентних барвників, які отримали назву HoTs. Їхня особливість у тому, що молекули не світяться одночасно. Вони самостійно вмикаються та вимикаються, створюючи своєрідне мерехтіння. На перший погляд це може здатися недоліком. Насправді саме завдяки цьому технологія працює.
Якби тисячі молекул світилися одночасно, їхні сигнали накладалися б один на одного, і зображення перетворилося б на розмиту пляму. Коли ж світиться лише частина молекул, мікроскоп може визначити положення окремих сигналів. Потім тисячі таких кадрів об’єднуються в одне наддетальне зображення. У результаті дослідникам вдалося отримати роздільну здатність приблизно у десять разів кращу, ніж у звичайній мікроскопії.
Живі клітини справді залишалися живими
Найважливіше тут те, що метод працює не лише на зафіксованих зразках. Барвники проникали в живі клітини та прикріплювалися до ДНК. Учені спостерігали за ними протягом приблизно 15 тисяч кадрів, і клітини продовжували залишатися живими.
У людських клітинах шкіри та клітинах раку шийки матки HeLa дослідники змогли отримати деталізацію приблизно до 20 нанометрів. Це ще далеко від масштабу самої молекули ДНК, але вже достатньо, щоб розглядати організацію генетичного матеріалу значно детальніше.
А потім учені пішли ще далі
Для максимальної точності дослідники використовували інший підхід — MINFLUX. Але цього разу клітини вже фіксували хімічними речовинами. Результат виявився вражаючим: положення окремих молекул барвника вдалося визначити з точністю близько 3 нанометрів. Для порівняння, діаметр подвійної спіралі ДНК становить приблизно 2 нанометри.
Тобто вчені фактично наблизилися до фізичного масштабу самої молекули. На таких зображеннях вони побачили скупчення ДНК, розташовані приблизно через 60 нанометрів одне від одного.
У ракових клітинах ДНК виглядає інакше
Але, мабуть, найцікавіший результат експерименту пов’язаний із раком. Дослідники взяли зразки тканин кишечника від трьох пацієнтів із раком товстої кишки. Після спеціальної підготовки вони порівняли сотні ядер ракових клітин зі здоровими клітинами, розташованими поруч із пухлиною.
Результат був помітним: у ракових клітинах ДНК була упакована менш щільно та розташовувалася більш розріджено. Подібну картину вчені спостерігали й у живих клітинних культурах. Це важливо, тому що попередні дослідження також вказували на те, що під час розвитку раку структура хроматину може ставати більш розпушеною.
Поки що це не означає, що новий метод уже може діагностувати рак або визначати його стадію. Але він дає дослідникам значно точніший спосіб вивчати зміни, які відбуваються з генетичним матеріалом пухлинних клітин.
Штучний інтелект теж долучили до експерименту
На цьому команда не зупинилася. Зображення передали системі AINU, яку дослідники розробили для аналізу наддетальних зображень клітинного ядра. Після навчання на нових даних система змогла правильно класифікувати 96% клітин шкіри та 98% стовбурових клітин, які не використовувалися під час навчання.
Цікаво, що всі ці клітини мають фактично однаковий генетичний матеріал. Відрізняється передусім те, як цей матеріал організований і використовується.
Але до «мікроскопа для конкретного гена» ще далеко
У технології є важливе обмеження. Барвники покривають геном загалом, а не дозволяють вибрати одну конкретну ділянку ДНК і стежити лише за нею. Крім того, вони краще взаємодіють із певними послідовностями ДНК, тому вимірювання щільності можуть бути дещо упередженими для інших ділянок геному. Дослідники вже працюють над можливим рішенням — вони хочуть поєднати частину молекули, яка зв’язується з ДНК, із компонентом, здатним спрямовувати барвник до конкретної генетичної послідовності.
Якщо це вдасться, учені зможуть не просто дивитися на загальну картину упаковки ДНК, а стежити за поведінкою окремих ділянок геному. Поки що найдетальніші зображення все ще отримують із клітин, які вже не живі. Але сам факт, що ДНК можна настільки детально «побачити» всередині живої клітини, відкриває новий спосіб досліджувати те, що відбувається з нашим геномом у реальному часі.
І, можливо, наступний великий крок — не просто побачити ДНК, а навчитися спостерігати, як вона змінюється в момент, коли клітина починає перетворюватися на ракову.