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

“了解大分子運動至關重要，但科學家們對此知之甚少，”西北大學生物醫(yī)學工程學教授沃爾特·迪爾·斯科特說。“部分原因是因為我們缺乏觀察這些過程的工具技術。”

現(xiàn)在，由Backman領導的McCormick工程學院的一個研究小組開發(fā)了一種新的光學技術來研究細胞的運動，而不使用標記或染料來跟蹤它們。這種創(chuàng)新方法還揭示了一種未被發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，可能在細胞死亡的早期階段發(fā)揮作用。

該團隊的見解于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揭示紫外誘導的細胞發(fā)作”。

雖然科學家們目前可以使用分子染料或標簽跟蹤細胞的運動，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。

這項名為dual-PWS的新技術不含標簽，可以在不使用染料的情況下成像和測量大分子運動?；贐ackman先前創(chuàng)建的定量成像技術（稱為偏振波光譜（PWS）），該平臺利用來自反向散射光的干涉和圖案變化來監(jiān)測細胞的大分子結構及其動態(tài)運動。

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

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

“有意義的是，隨著細胞即將死亡，它們的動力會減弱，”巴克曼說。“活細胞中存在的促進運動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。”

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

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

該團隊尚不清楚為何或如何發(fā)生稱為細胞發(fā)作的現(xiàn)象。Backman最初想知道這種運動是否可能是由于離子進入細胞，但這樣的過程需要花費太長時間。細胞結構的不協(xié)調運動發(fā)生在毫秒之內。

“生物學中沒有任何東西可以快速移動，”巴克曼說。他補充說，他的實驗室成員對結果感到非常驚訝，他們開玩笑說這種現(xiàn)象可以解釋為“中間人”離開牢房，這是星球大戰(zhàn)電影中“力量”的化學體現(xiàn)。

雖然細胞發(fā)作仍然是一個謎，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。研究人員對染色質的了解越多，他們就越有可能有一天能夠調節(jié)基因表達，這可能會改變人們對癌癥和老年癡呆癥等疾病的治療方式。

“你能想象的每一個生物過程都涉及某種大分子重排，”巴克曼說。“隨著我們擴大研究范圍，我不禁懷疑，'接下來我們會發(fā)現(xiàn)什么？'”

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