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“量子点”可以让研究人员跟踪蛋白质和细胞

2019-09-10 60粘菌

想象一下,如果分子生物学家和细胞生物学家能够像野生动物生物学家观察野生动物一样,观察在自然栖息地中起作用的蛋白质和细胞。他们会坐下来,亲眼目睹显微镜下的实验对象的日常活动、互动和动作,以及他们喜欢去的地方。多亏了洛克菲勒大学的一项新研究,这种幻想正迅速成为现实。这项研究利用了一项最初于上世纪80年代初开发的用于电脑的技术。这些荧光纳米晶体被称为“量子点”,可以在任何想要的颜色下发出明亮的光,因此多年来,生物学家一直希望利用它们来进行分子和细胞成像。但是,尽管它们的潜力已经很明显,但直到现在,科学家们还不能说服活着的生物组织明确而安全地接受这些人工合成的点。

在今年1月出版的《自然生物技术》(Nature Biotechnology)杂志上,洛克菲勒大学(Rockefeller University)的研究人员首次展示了如何利用量子点同时追踪多个活蛋白或细胞,每次最多可以追踪几天。荧光显微镜是所有需要跟踪每分钟的活动的彩色编码的蛋白质和细胞。

“要真正了解蛋白质和细胞在自然环境中的功能,我们需要能够实时观察它们的正常活动,”洛克菲勒细胞生物物理实验室主任、该研究的首席研究员Sanford Simon博士说。

量子点可能在医学和生物学上都有应用。例如,在囊性纤维化和阿尔茨海默氏症等疾病中,某些蛋白质会转移到错误的地方;就像一辆运牛奶的卡车把货物送到邮局而不是杂货店一样,这些异常的蛋白质扰乱了细胞的工作群落。一旦这些蛋白质在人体细胞中产生,科学家们就可以利用量子点来跟踪它们,从而更好地处理导致疾病的排序过程中出现的问题。

“量子点是一个非常强大的工具。我确信有许多生物学和医学应用我们还没有想到,”Jyoti Jaiswal博士说,他是洛克菲勒大学的博士后助理和论文的第一作者。

“量子点”可以让研究人员跟踪蛋白质和细胞

谱杂波

目前,研究人员通过用有机荧光染料或荧光团标记蛋白质和细胞,例如由水母自然产生的流行的绿色荧光蛋白(GFP),来可视化蛋白质和细胞。但是这种方法有几个局限性。

首先是研究人员如何诱导染料发出某种颜色的光,或光谱。例如,要使绿色荧光蛋白产生绿光,科学家们必须首先用波长较短的激光(如蓝色)照射它。但是,如果同时使用另一种染料,一种发出蓝色波长荧光的染料,那么它的信号就会在触发第一种染料所需的蓝光中消失。在任何给定的实验中,这种光谱重叠将荧光团的使用限制在两个,有时是三个。

萤光团的第二个限制是它们不会发光很长时间。

量子点独特的物理特性克服了这些障碍。仅仅通过改变它们的大小,科学家就可以制造出彩虹中任何颜色的光,此外,只需要一个波长的光就可以照亮所有不同颜色的点。因此,光谱重叠不再限制实验中可以同时使用的颜色的数量。此外,量子点即使被观察很长时间也不会停止发光:与大多数已知的荧光染料相比,它们的平均发光时间要长1000倍。

“量子点”可以让研究人员跟踪蛋白质和细胞

水的外套

但是,虽然量子点解决了这些问题,但它们也有自己的局限性——最大的局限性是它们怕水或“疏水”的天性。要使量子点与细胞中的水分混合,它们必须有一层亲水或“亲水”的外壳。三年前,Simon和Jaiswal在美国海军研究实验室的同事们将量子点包裹在一层带负电荷的二羟基硫辛酸(DHLA)中,从而使它们具有生物相容性。

在同一项研究中,研究人员克服了使量子点在生物学上有用的第二个主要障碍——构建特定于蛋白质的点。通过将特定于实验蛋白的抗体与DHLA包裹的量子点连接起来,他们能够在试管中证明蛋白质的特异性。

在目前的研究中,洛克菲勒大学的科学家与他们在美国海军研究实验室的同事合作,再次合成了蛋白质特异性量子点,但这一次他们在活细胞中显示了它们的功效——这是这项新兴技术的第一次。为了做到这一点,研究人员采用了两种不同的方法来合成量子点,这两种方法都涉及到将带负电荷的DHLA帽点与带正电荷的分子连接起来——亲和素或带正电荷尾巴的生物工程蛋白G。由于亲和蛋白G可以很容易地结合抗体,研究人员可以将这些点连接到他们选择的蛋白特异性抗体上。

关键的测试是确定特异性:量子点能否达到与融合到GFP中的蛋白质合成时相同的精细选择性?为了回答这个问题,Simon和他的同事设计了一组细胞在培养皿中一起生长,随机产生不同水平的融合到GFP的膜蛋白。当这些细胞与与膜蛋白特异性抗体结合的量子点孵育时,GFP荧光的模式与量子点的荧光相匹配。然而,量子点的荧光持续的时间是无法估量的长,现在这些蛋白质可以在彩虹色中成像。

Jaiswal说:“研究人员现在应该能够快速地创造出一种量子点的组合,这种量子点可以与几种感兴趣的蛋白质结合。”

“量子点”可以让研究人员跟踪蛋白质和细胞

未知的细胞

蛋白质并不是研究人员用量子点成功点燃的唯一对象:细胞也被标记并在正常状态下观察了很长一段时间。在《自然生物技术》杂志的论文中,研究人员在两周内监测了标记有量子点的人类组织培养细胞,对细胞没有副作用。他们还通过14个小时的生长发育过程,在没有发现任何损伤的情况下,连续观察了带有量子点标记的粘液霉菌细胞。这种细胞追踪方法将使研究人员能够研究细胞在体外培养或在整个发育中的生物体中的命运。

“有了量子点,你就可以连续追踪秀丽隐杆线虫的每一个细胞,从它在胚胎中的诞生到3天半后成年线虫的最终目的地,”Jaiswal说。

有趣的是,研究人员发现,他们可以利用一种称为内吞作用的自然过程,用量子点标记细胞,即细胞吞噬外界环境中的维生素和营养物质。

Simon说:“通过让细胞自己占据这些点,你可以降低损害它们的风险。”

最后,利用他们新发现的粘菌细胞编码颜色的能力,研究人员回答了一个关于粘菌行为的长期存在的问题。当饥饿时,粘菌——通常以单细胞生物的形式存在——通过聚集在一起形成一个鼻涕虫形状的多细胞生物来保护自己。科学家们知道,饥饿的细胞有能力指示附近的其他细胞在它们周围成形,而非饥饿的细胞则没有这种能力。然而,他们不知道饥饿对这种能力的影响有多大。

通过给非饥饿、短期饥饿和长期饥饿的粘菌细胞贴上三种不同颜色的标签,并在显微镜下观察它们的行为,研究人员能够解开这个谜。事实证明,任何饥饿的细胞,无论多么饥饿,都具有诱导邻近细胞发育的能力。

在这个实验中,量子点阐明了一个隐藏在黑暗中的问题的答案。在它们的光芒下,还会产生什么其他的生物和医学问题呢?据Jaiswal说,这种可能性是多种多样的。“我们现在有问各种新问题的自由。”

引用

Rockefeller University. "Observing Proteins And Cells In The Wild: "Quantum Dots" May Allow Researchers To Track Proteins And Cells In Their Natural Environments." ScienceDaily. ScienceDaily, 13 December 2002.
www.sciencedaily.com/releases/2002/12/021213062213.htm.

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