當(dāng)細(xì)胞執(zhí)行日常功能時(shí)，它們會(huì)開(kāi)啟各種基因和細(xì)胞通路。麻省理工學(xué)院的工程師們現(xiàn)在已經(jīng)誘導(dǎo)細(xì)胞將這些事件的歷史記錄在一條可以用光學(xué)顯微鏡成像的長(zhǎng)蛋白質(zhì)鏈中。

被編程產(chǎn)生這些鏈的細(xì)胞不斷添加編碼特定細(xì)胞事件的構(gòu)建塊。隨后，這些有序的蛋白質(zhì)鏈可以用熒光分子標(biāo)記，并在顯微鏡下讀取，使研究人員能夠重建事件發(fā)生的時(shí)間。

這項(xiàng)技術(shù)可以幫助闡明記憶形成、對(duì)藥物治療的反應(yīng)和基因表達(dá)等過(guò)程的基礎(chǔ)步驟。

Edward Boyden說(shuō):“在器官或身體尺度上，有很多變化發(fā)生在幾小時(shí)到幾周的時(shí)間里，這些變化是無(wú)法隨著時(shí)間追蹤的。”

研究人員說(shuō)，如果這項(xiàng)技術(shù)可以延長(zhǎng)工作時(shí)間，它也可以用于研究衰老和疾病進(jìn)展等過(guò)程。

手機(jī)的歷史

生物系統(tǒng)，如器官，包含許多不同種類(lèi)的細(xì)胞，它們都有不同的功能。研究這些功能的一種方法是對(duì)細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、RNA或其他分子進(jìn)行成像，這可以為細(xì)胞的活動(dòng)提供線索。然而，大多數(shù)這樣做的方法只提供了一個(gè)瞬間的一瞥，或者對(duì)非常大的細(xì)胞群不起作用。

“生物系統(tǒng)通常由大量不同類(lèi)型的細(xì)胞組成。例如，人腦有860億個(gè)細(xì)胞。”文章一作Changyang Linghu說(shuō)，“為了了解這些生物系統(tǒng)，我們需要觀察這些大細(xì)胞群中隨著時(shí)間的推移發(fā)生的生理事件。”

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究小組提出了將細(xì)胞事件記錄為一系列不斷添加到鏈上的蛋白質(zhì)亞基的想法。為了創(chuàng)造它們的鏈，研究人員使用了工程蛋白亞基，這種亞基通常不存在于活細(xì)胞中，可以自組裝成長(zhǎng)絲。

研究人員設(shè)計(jì)了一種基因編碼系統(tǒng)，其中一種亞基在細(xì)胞內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生，而另一種只在特定事件發(fā)生時(shí)產(chǎn)生。每個(gè)亞基還包含一個(gè)非常短的肽，稱(chēng)為表位標(biāo)簽——在這種情況下，研究人員選擇了稱(chēng)為HA和V5的標(biāo)簽。這些標(biāo)簽中的每一個(gè)都可以結(jié)合到不同的熒光抗體上，這樣就可以很容易地看到標(biāo)簽，并確定蛋白質(zhì)亞基的序列。

在這項(xiàng)研究中，研究人員將含有v5的亞基的產(chǎn)生取決于一種名為c-fos的基因的激活，這種基因與編碼新記憶有關(guān)。ha標(biāo)記的亞基構(gòu)成了鏈的大部分，但只要V5標(biāo)記出現(xiàn)在鏈中，就意味著c-fos在這段時(shí)間被激活了。

Changyang Linghu說(shuō):“我們希望利用這種蛋白質(zhì)自我組裝來(lái)記錄每個(gè)細(xì)胞的活動(dòng)。”“它不僅是時(shí)間的快照，還記錄了過(guò)去的歷史，就像樹(shù)木年輪隨著時(shí)間的推移可以永久存儲(chǔ)信息一樣。”

記錄事件

在這項(xiàng)研究中，研究人員首先使用他們的系統(tǒng)記錄了在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中生長(zhǎng)的神經(jīng)元中c-fos的激活情況。c-fos基因通過(guò)化學(xué)誘導(dǎo)神經(jīng)元的激活被激活，這導(dǎo)致V5亞基被添加到蛋白質(zhì)鏈中。

為了探索這種方法是否適用于動(dòng)物的大腦，研究人員對(duì)小鼠的腦細(xì)胞進(jìn)行編程，使其產(chǎn)生蛋白質(zhì)鏈，從而揭示動(dòng)物何時(shí)接觸到特定的藥物。后來(lái)，研究人員通過(guò)保存組織并用光學(xué)顯微鏡分析來(lái)檢測(cè)暴露。

研究人員將他們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)成模塊化，這樣就可以交換不同的表位標(biāo)簽，或者可以檢測(cè)到不同類(lèi)型的細(xì)胞事件，原則上包括細(xì)胞分裂或蛋白質(zhì)激酶的激活，這些酶有助于控制許多細(xì)胞通路。

研究人員還希望延長(zhǎng)他們所能實(shí)現(xiàn)的記錄時(shí)間。在這項(xiàng)研究中，他們?cè)诮M織成像前記錄了幾天的事件。在可以記錄的時(shí)間量和時(shí)間分辨率或事件記錄的頻率之間存在權(quán)衡，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)鏈的長(zhǎng)度受限于細(xì)胞的大小。

Changyang Linghu說(shuō):“它能存儲(chǔ)的信息總量是固定的，但原則上我們可以減慢或加快鏈的增長(zhǎng)速度。”“如果我們想記錄更長(zhǎng)的時(shí)間，我們可以放慢合成速度，讓它在兩周內(nèi)達(dá)到細(xì)胞的大小。這樣我們就可以記錄更長(zhǎng)的時(shí)間，但時(shí)間分辨率更低。”

研究人員還致力于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，通過(guò)增加可以合并的不同子單元的數(shù)量，使其可以在同

文章標(biāo)題

Recording of cellular physiological histories along optically readable self-assembling protein chains