Ученые Университета штата Иллинойс (University of Illinois) разработали крошечную иглу, с помощью которой можно сделать прокол в мембране клеточного ядра. Теперь наблюдать за протекающими в ядре процессами станет значительно легче.

Ученые Университета Иллинойса разработали наноиглу, которая вводит квантовые точки
непосредственно в ядро живой клетки при помощи небольшого электрического заряда.
Квантовые точки отслеживаются, чтобы получить информацию об условиях внутри ядра.
(Credit: Image courtesy Min-Feng Yu)

Изучение процессов, протекающих в ядре клетки, где хранится ДНК и транскрибируются гены, приведет к лучшему пониманию генетики и факторов, регулирующих экспрессию генов. Ученые уже создали белки и красители, с помощью которых можно отслеживать активность происходящих в ядре процессов, но они имеют большие размеры и, как правило, чувствительны к свету, что делает их использование достаточно сложным при обычных методах микроскопии.

Для наблюдения за микроскопическими процессами, протекающими в клетках, можно использовать особый класс наночастиц, называемых квантовыми точками. Квантовые точки – мельчайшие частицы полупроводниковых материалов, имеющие размер всего в несколько молекул. Они выгодно отличаются от других маркеров как размером, так и большой яркостью флуоресценции и отличной устойчивостью к свету.

Профессор кафедры механики и инженерии
Мин-Фенг Ю (Min-Feng Yu) – руководитель группы,
разработавшей крошечную иглу для
доставки квантовых точек в ядро клетки.
(Фото: сайт news.illinois.edu/L. Brian Stauffer)

«Квантовые точки используются многими учеными при мониторинге биологических процессов для получения информации о межклеточной среде. Но доставка квантовых точек в клетку для более тонких исследований является проблемой», – говорит профессор кафедры механики и инженерии Мин-Фень Ю (Min-Feng Yu).

Доставка любого типа молекул в клеточное ядро – еще более сложная задача, так как ядро окружено дополнительной мембраной, препятствующей попаданию в него большинства присутствующих в клетке молекул.

Профессор Ю и его коллеги разработали наноиглу, одновременно являющуюся электродом, способную доставлять квантовые точки непосредственно в ядро клетки и даже в заранее определенную его точку. Теперь ученые смогут получать огромное количество информации о физических условиях внутри ядра, наблюдая за квантовыми точками с помощью стандартного флуоресцентного микроскопа.

«Этот метод позволяет нам получить физический доступ к внутренней среде клетки», – объясняет Ю. «Это почти хирургический инструмент, который дает нам возможность «оперировать» внутри клетки».

Ученые покрыли отдельную нанотрубку диаметром всего в 50 нм очень тонким слоем золота, создав, таким образом, наноразмерный зонд-электрод. Затем они «нагрузили» иглу квантовыми точками. От иглы квантовые точки отделяются с помощью небольшого электрического заряда. Это обеспечивает уровень контроля, не достижимый для других методов доставки молекул, позволяющий осуществлять постепенную диффузию квантовых точек по всей клетке и в ее ядре.

Внутриклеточная доставка квантовых точек
контролируется как в пространственном,
так и во временном аспекте.
(Иллюстрация: сайт onlinelibrary.wiley.com)

«Для контроля над отделением молекул, прикрепленных к зонду, мы используем электрический потенциал», – говорит Ю. «Можно ввести иглу в определенное место, дождаться конкретного момента какого-либо биологического процесса и только тогда высвободить квантовые точки. Этого нельзя сделать с помощью ранее разработанных методов».

Так как игла очень мала, она прокалывает клетку с минимальным для нее ущербом, в то время как другие методы могут быть очень травматичны. Метод может использоваться учеными для точной доставки квантовых точек к конкретной мишени, что позволяет изучать активность в определенных областях ядра или других клеточных органелл.

«Для протекающих в клетке процессов локализация имеет очень большое значение», – говорит коллега Ю профессор кафедры механики и инженерии Нинь Ван (Ning Wang). «Используя наноиглу, можно очень точно попадать в определенные точки внутри ядра. Это ключевое преимущество данного метода».

Новый метод открывает широкие возможности для исследований. Ученые планируют еще больше увеличить точность наноиглы – и как электрода, и как системы молекулярной доставки. Они надеются изучить использование иглы и как средства доставки других типов молекул – фрагментов ДНК, белков, ферментов – которые используются для изучения множества клеточных процессов.

«Наша наноигла – это инструмент «все-в-одном»»,– говорит Ван. «В клетке протекают три типа процессов: химические, электрические и механические. Так и наноигла одновременно является механическим зондом, электродом и химической системой доставки».

Результаты работы, финансируемой Национальным институтом здравоохранения (National Institutes of Health) и Национальным научным фондом (National Science Foundation) США, будут опубликованы в журнале Small.

Аннотация к статье: Kyungsuk Yum, Ning Wang, Min-Feng Yu. Electrochemically Controlled Deconjugation and Delivery of Single Quantum Dots into the Nucleus of Living Cells