Gli scienziati hanno ottenuto una sfilza di informazioni chiave sulle proteine, i cavalli di battaglia molecolari di tutte le cellule, da singole cellule umane per la prima volta.

La scorta di informazioni sulle proteine ​​- la maggior parte di tali dati mai raccolti da una singola cellula di mammifero - offre agli scienziati uno dei loro sguardi più chiari sugli eventi molecolari all'interno di una cellula umana. Tali dati possono rivelare se una cellula è una cellula cancerosa canaglia, una cellula pancreatica malfunzionante coinvolta nel diabete, o un giocatore molecolare importante per la sopravvivenza di un prematuro.

Questi eventi e molti altri sono determinati dalle azioni delle proteine ​​nelle cellule. Fino ad ora, era difficile ottenere informazioni dettagliate sulle proteine ​​all'interno delle singole cellule. I “dati grezzi – la quantità di ciascuna proteina – in una cellula sono straordinariamente scarsi e difficili da misurare. Ciò è in gran parte dovuto al fatto che gli scienziati non possono amplificare le proteine ​​come fanno i geni o altri messaggeri molecolari.

Ora, in uno studio pubblicato su Angewandte Chemie , scienziati del Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy, lavorando con le controparti dell'Università di Rochester Medical Center, mostrano come sono stati in grado di apprendere una quantità senza precedenti di informazioni sulle proteine ​​all'interno di campioni di singole cellule polmonari umane.

Gli scienziati hanno analizzato singole cellule, prima da cellule in coltura e poi dai polmoni di un donatore umano, e ha rilevato in media più di 650 proteine ​​in ogni cellula, molte volte di più rispetto alle tecniche convenzionali catturate da singole cellule.

Il gruppo, tra cui i chimici analitici Ying Zhu e Ryan Kelly e i biochimici Geremy Clair e Charles Ansong, ha fatto i risultati grazie a una tecnologia creata presso EMSL, il Laboratorio di Scienze Molecolari Ambientali, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE situata al PNNL. Il team ha sviluppato la tecnologia, chiamato nanoPOTS, per misurare le proteine ​​in un minuscolo, quantità di materiale quasi inimmaginabile.

"NanoPOTS è come un microscopio molecolare che ci permette di analizzare campioni che sono 500 volte più piccoli di quanto potessimo vedere prima, " ha detto Kelly, il corrispondente autore dell'articolo. "Possiamo identificare più proteine ​​in una cellula rispetto a quelle che si potevano identificare in precedenza da un gruppo di centinaia di cellule".

È importante per un paio di motivi. Alcune proteine ​​esercitano un'enorme influenza all'interno di una cellula, forse determinando se la cellula vivrà, morire, mutare o viaggiare in un'altra parte del corpo, anche quando sono a livelli molto bassi non rilevabili con i metodi odierni.

Inoltre, le tecnologie convenzionali in genere analizzano centinaia o migliaia di cellule, raggruppandoli in un unico batch per l'analisi. Questi risultati rappresentano una visione media di ciò che sta accadendo in quel tessuto; ci sono poche informazioni su ciò che sta realmente accadendo in una cella specifica. Questo è un problema se c'è variabilità da cellula a cellula, se alcune cellule si comportano normalmente mentre altre cellule sono cancerose, ad esempio.

Nello studio attuale, il team ha analizzato le proteine ​​in un campione di fluido inferiore a un decimillesimo di cucchiaino. All'interno di quel campione, le proteine ​​ammontavano a soli 0,15 nanogrammi, più di dieci milioni di volte più piccole del peso di una tipica zanzara.

Una volta che gli scienziati hanno messo le mani su un bene così prezioso, le viscere di una singola cellula umana, lo sottopongono a una serie di fasi di elaborazione per prepararsi all'analisi. Ma lavorare con un campione così piccolo ha posto ostacoli significativi all'analisi delle singole cellule. Quando il materiale viene trasferito da una provetta all'altra, da macchina a macchina, parte del campione si perde in ogni fase. Quando il campione originale non è più di una microscopica gocciolina, perdere anche solo una piccola parte del campione è catastrofico.

Zhu e Kelly hanno sviluppato nanoPOTS, che sta per nanodroplet Processing in One pot for Trace Samples, per affrontare questo problema di perdita di campione. La tecnologia è una piattaforma automatizzata per l'acquisizione, manovra, testare e misurare piccole quantità di fluido. Le chiavi della tecnologia includono un robot che eroga il fluido in una posizione con una precisione di un milionesimo di metro, spostandosi tra minuscoli pozzetti che riducono al minimo la quantità di superficie su cui le proteine ​​potrebbero incollarsi.

Dentro quei piccoli pozzi, gli scienziati eseguono diversi passaggi per isolare le proteine ​​dal resto del campione. Quindi, il materiale viene inserito in uno spettrometro di massa che separa e misura ciascuna delle centinaia di proteine.

Tutto detto, la tecnologia riduce le perdite di campioni di oltre il 99 percento rispetto ad altre tecnologie, fornendo agli scienziati abbastanza scarso materiale per effettuare misurazioni significative, per dire quali proteine ​​sono ad alti livelli e quali a bassi livelli. Queste sono informazioni vitali quando si confrontano, Per esempio, cellule cerebrali di una persona con malattia di Alzheimer a quelle di una persona non affetta, o guardando le cellule cancerose rispetto alle cellule vicine che sono sane.