Különleges képek a sejtmag belsejéről

A Berkeley Lab kutatóinak rendkívül kis méretű, fluoreszkáló nanokristályokat sikerült bejuttatni a sejtmag belsejébe. Ezzel lehetővé vált, hogy nyomon kövessék a sejtmagban zajló alapvető élettani folyamatokat.

A nanotechnológia módszereinek alkalmazásával rövidesen lehetővé válhat a biológusok számára, hogy úgy szemlélhessék az élő sejtek belsejében lezajló folyamatokat, ahogyan az eddig még sosem volt lehetséges. Fanqing Chen (Berkeley National Laboratory) és Daniele Gerion (Lawrence Livermore National Laboratory) olyan módszert dolgoztak ki, amelynek során a nanométeres mérettartományba eső "szondákat" képesek bejuttatni a sejtmag belsejébe. Ezáltal nyomon követhetővé válnak a sejtek legalapvetőbb élettani folyamatai, mint például a DNS hibáinak javítása, a DNS megkettőződése (DNS-replikáció), vagy a sejtciklus szabályozása. "Első alkalommal vált lehetségessé a sejtmagban hosszabb távon lezajló folyamatok képi megjelenítése." - mondta Fanqing Chen, a módszer kidolgozója.

Félvezető nanokristályok

A kísérletek során mindössze néhány ezer atomból felépülő félvezető nanokristályokat használtak. A nanokristályok egyik jellemző tulajdonsága, hogy különböző hullámhosszú fénysugarakat bocsátanak ki, ha lézerrel világítják meg őket. A többféle színben fluoreszkáló, apró mérőeszközök alkalmasak rá, hogy hosszú ideig jelen legyenek a sejtmag belsejében, mivel nem mérgezőek a sejt számára, és a színük is változatlan marad. A nanokristályok így jóval alkalmasabbak a sejt belső folyamatainak vizsgálatára, mint a korábban használt hagyományos fluoreszcens anyagok. A kutatóknak így alkalma nyílhat rá, hogy közvetlen közelről is megfigyelhessék a sejtmag belsejében több órán vagy akár néhány napon keresztül zajló folyamatokat. A nanokristályok ezen kívül azt is lehetővé tehetik, hogy a kutatók mérni tudják azoknak a gyógyszereknek a hatékonyságát, amelyek ezekre a viszonylag lassan lejátszódó folyamatokra hatnak. "Elképzelhető, hogy hamarosan azt is meg tudjuk majd állapítani, hogy egy adott gyógyszer eljut-e a rendeltetési helyére, és hogy ott vajon kifejti-e a kívánt hatást" - mondta Chen.

A kép a nanokristályok mozgását ábrázolja a sejt belsejében. A bal oldali képen a kristályok mozgása látható (a zöld foltoktól a pirosak felé). A jobb oldali képen a piros nyíl jelzi a mozdulatlan kristályok csoportját, a sárga és a fehér nyilak pedig a mozgó kristályokat jelölik, amint átjutnak a sejtmagmembránon

A sejtmag belsejében zajló folyamatok mostani, újszerű megjelenítése a biológusok és a vegyészek szoros együttműködésének eredménye. Az elmúlt négy évben Chen és Gerion együtt dolgoztak a Paul Alivisatos (Berkeley Lab) által vezetett labor kutatóival, akik sokat segítettek a félvezető anyagokból készült, kristályos nanorészecskék kifejlesztésében. 1998-ban Alivisatos a kadmium-szelenidből és kadmium-szulfidból álló szervetlen nanokristályokat az élő sejtek vizsgálatára alkalmas, fluoreszkáló "szondákká" alakította. Chen és Gerion ezt követően arra gondoltak, hogy a nanokristályokat a sejtmagba juttatva jóval közelebbről is tanulmányozhatnák az ott zajló folyamatokat. Ehhez azonban előbb meg kellett oldani azt a problémát, hogy milyen módszerrel juttassák át a nanokristályokat a sejtmag membránján.

A vírus trükkje

A sejtmagot körülvevő membránban olyan ún. póruskomplexek találhatók, amelyek átjárást biztosítanak a sejtmag és a sejtplazma közötti anyagforgalomhoz, viszont nem csupán átjárók, hanem végső soron ellenőrzőhelyek is. A kis molekulák szabadon jöhetnek-mehetnek, de a nagyobb fehérjék és a genetikai információt kifelé közvetítő RNS-molekulák csak egy előválogatást követően haladhatnak át a nagyjából húsz nanométer széles pórusokon. Chen és Gerion egy különösen tömör, kadmium-szelenidből és cink-szulfidból készült nanokristályt használt, amelyet szilícium-dioxidos bevonattal láttak el. Annak érdekében, hogy az apró méretű nanokristályt bejuttassák a sejtmagba, a kutatók egy vírustól ellesett trükköt alkalmaztak. Az SV40 elnevezésű vírus felszínét olyan fehérjék borítják, amelyek lehetővé teszi számára a sejtmag belsejébe való akadálytalan bejutást. Chen és Gerion izolálták a vírus felszínét borító fehérjét, és a fehérje egy darabját hozzákapcsolták a nanokristályhoz. Ennek eredményeként egy "hibrid" nanokristályt kaptak, amely részben fehérjéből, részben pedig a nanométeres nagyságú szervetlen, félvezető anyagokból épül fel. Egy ilyen nanokristály mindkét feltételnek eleget tesz: átfér a sejtmagmembrán pórusain, és elég természetesnek tűnik ahhoz, hogy a pórusok "ellenőrzőpontjain" probléma nélkül haladhasson át. "Sejtettük, hogy képesek leszünk valamilyen módon bejuttatni a kristályokat a sejtmagba, de a sejtmagmembrán miatt mindez nagyon nehéznek tűnt. Ezért aztán tanultunk a vírustól" - mondta Chen.

Távolabbi tervek

A kutatóknak sikerült elérniük, hogy a fluoreszkáló nanokristályok akár egy hétig is az élő sejtek magjában tartózkodjanak anélkül, hogy károsítanák a sejtet. A kristályok ezen kívül napokig is képesek annyira erősen fluoreszkálni, hogy segítségükkel detektálhatóak azok a biológiai folyamatok is, amelyeket egy-egy molekula indít be. A hagyományosan használt fluoreszcens jelzőanyagok ezzel szemben csak pár percig képesek elég élesen fluoreszkálni, és sok esetben mérgezőek a sejt számára.

A kutatók remélik, hogy a jövőben sikerül olyan nanokristályokat létrehozniuk, amelyekkel már specifikus kémiai reakciókat is nyomon lehetne követni. Megfigyelhető lenne például a fehérjék működése a DNS-szál javításakor, azt követően, hogy a DNS-t sugárzásnak teszik ki. Arról már sikerült felvételeket készíteni, hogy a kristályok milyen módon jutnak be a sejtmagba, ezzel pedig lehetővé vált a sejtmag transzportfolyamatainak valós idejű vizsgálata. A kutatók további tervei között szerepel, hogy a sejtmagon kívül a sejtszervecskék (mitokondriumok, Golgi-készülék) működését is vizsgálják ezzel a módszerrel. A nanokristályokat a sejtek közötti anyagcsere vizsgálatára is jól lehetne használni, és alkalmazásuk a biológián kívül is nagyon ígéretesnek tűnik.

Illyés András