Al unir una proteína indicadora de peróxido de hidrógeno a las estructuras de microtúbulos celulares, los investigadores han desarrollado el primer sensor capaz de mostrar la ubicación del químico clave de señalización celular dentro de las células vivas con alta resolución a lo largo del tiempo.
Conocer la ubicación precisa del peróxido de hidrógeno dentro de las células podría ayudar a los científicos a comprender mejor las reacciones de oxidación-reducción que tienen lugar allí. El sensor fue desarrollado por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, que han demostrado varias aplicaciones por su capacidad espacialmenteresolver la presencia del químico dentro de las células.
Conocido como HyPer-Tau, el nuevo sensor modifica una proteína comercialmente disponible que altera sus propiedades de fluorescencia en presencia de peróxido de hidrógeno. La investigación, que fue apoyada por los Institutos Nacionales de Salud, se informó el 20 de noviembre en la revista ScientificInformes.
"La química de las células, a diferencia de la química más tradicional en los tubos de ensayo, depende en gran medida del lugar donde se produce una reacción química", dijo Christine Payne, profesora asociada de la Facultad de Química y Bioquímica de Georgia Tech y una de las principales personas del estudio.autores: "HyPer-Tau es una herramienta que nos proporcionará información sobre el" dónde "y el" cuándo "para el peróxido de hidrógeno dentro de las células vivas".
Hasta el desarrollo de la nueva técnica, los sensores de peróxido de hidrógeno solo podían etiquetar ciertos componentes de las células, o mostrar que las células contenían el oxidante. Sin embargo, para comprender el papel del peróxido de hidrógeno en la señalización y la oxidación, los investigadores querían saber la hora- ubicación resuelta de la sustancia química
"Necesitábamos una herramienta que pudiera discriminar entre ubicaciones para proporcionar más que una lectura completa de la oxidación", dijo Melissa Kemp, profesora asociada en el Departamento de Ingeniería Biomédica Wallace H. Coulter de Georgia Tech y Emory University ".información espacial específica, podríamos estar mejor informados sobre cómo los procesos celulares o las terapias que involucran la oxidación van a operar ".
Kemp y Payne se dieron cuenta de que si pudieran anclar la proteína reportera a los microtúbulos, estructuras fibrosas que entrecruzan células como vías de ferrocarril, podrían obtener la información de ubicación que necesitaban.
Otros investigadores ya habían creado variantes de la proteína reportera HyPer, por lo que los investigadores, con la técnica Emilie Warren, la investigadora universitaria Tatiana Netterfield y la investigadora postdoctoral Saheli Sarkar se propusieron crear una nueva herramienta. Agregaron una proteína de unión a la tubulinaconocido como Tau, que conecta la proteína HyPer con las estructuras de los microtúbulos. Luego, la microscopía de fluorescencia les permitió observar el cambio en tiempo real de la fluorescencia a medida que ocurría oxidación en las células que estaban estudiando.
"Conectar la proteína indicadora nos permite obtener una lectura de oxidación de tipo cuadrícula dentro de las células", dijo Kemp. "Al tener la proteína atada, podemos obtener información subcelular muy específica. Puede ver fácilmente áreascon oxidación más intensa "
Ella utilizó una analogía de tráfico para comparar la información proporcionada por la nueva técnica con la proporcionada por la anterior. Los sensores anteriores habrían informado que el tráfico en un área del centro de la ciudad estaba congestionado, mientras que el nuevo sensor podría detectar un accidente en una calle específica causandolos retrasos. La última información permite tomar medidas específicas, dijo Kemp.
Kemp y Payne ya han utilizado la herramienta para visualizar el proceso de señalización que tiene lugar cuando los macrófagos descubren bacterias y se mueven para engullir y destruir a los invasores.
"Cuando se activan los macrófagos, comienzan a disparar pequeñas estructuras en forma de patas que buscan la señal bacteriana", explicó Kemp. "Para hacerlo, requieren peróxido de hidrógeno para controlar la migración y otras actividades. Podemos ver en estasbordes de ataque donde se produce la oxidación dentro de las células, proporcionando una visión sin precedentes del comportamiento ".
Al combinar varias imágenes, los investigadores produjeron películas que correlacionaban la producción de peróxido de hidrógeno con las actividades de las células del sistema inmunitario.
En otra aplicación, el sensor se utilizó para estudiar cómo responden las células a la introducción de peróxido de hidrógeno extracelular, que produce una onda de oxidación a medida que se mueve a través de las estructuras celulares.
"Esto proporciona una manera de cuantificar la variación intracelular e intercelular que está ocurriendo", explicó Kemp. "Nuestro objetivo es poder monitorear en tiempo real los eventos que están ocurriendo. Debido a las características espectrales del reportero,puede combinar esto con otros tipos de colorantes para controlar los orgánulos y los diferentes tipos de producción ".
Kemp espera usar el nuevo sensor para comprender mejor la oxidación de otro tipo de células inmunes, las células T, ya que forman contacto con otras células para reconocer la presencia de virus. En estudios que podrían ser importantes para comprender los efectos de los materiales a nanoescalaEn las células vivas, los investigadores están trabajando para comprender los posibles efectos oxidativos de las nanopartículas de dióxido de titanio. La nueva técnica también podría ser útil para comprender cómo las células madre cambian las propiedades de oxidación durante la diferenciación en otros tipos de células.
En la investigación actual, Netterfield está trabajando con Kemp y Payne para combinar la técnica existente con otras proteínas informadoras para obtener información adicional.
Kemp señaló que alguna vez se pensó que era un signo de los procesos de la enfermedad, ahora se entiende que el peróxido de hidrógeno es un químico de señalización crítico dentro de las células. Las células producen a propósito el químico, que puede oxidar rápidamente proteínas para alterar sus funciones. También se genera peróxido de hidrógenoen los sitios de inflamación, y como los macrófagos destruyen los patógenos.
La colaboración entre Payne, un químico físico, y Kemp, un ingeniero biomédico, demuestra cómo la innovación puede ocurrir en las intersecciones de las disciplinas.
"La química y la ingeniería biomédica ofrecen una colaboración bastante natural", dijo Payne. "Ambos hablamos el mismo lenguaje científico y tenemos un interés compartido en desarrollar nuevas herramientas que permitan la nueva ciencia".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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