Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали новый метод, который позволяет получать чёткие изображения биомолекул внутри клеток с помощью инфракрасного света. Раньше это было невозможно из-за поглощения ИК-излучения водой в клетках.

Новый метод позволит определять количество ключевых биомолекул в клетках, таких как белки. Это ускорит прогресс в биопроизводстве, разработке клеточной терапии и создании лекарственных препаратов.

Результаты исследования опубликованы в журнале Analytical Chemistry.

Инфракрасное излучение — это свет, который не видим для человеческого глаза, но ощутим как тепло.

В ИК-микроскопии материал поглощает излучение в определённом диапазоне волн. Изучая спектр поглощения образца, учёные могут идентифицировать молекулы и другие химические структуры. Но вода сильно поглощает инфракрасное излучение, скрывая его от других биомолекул внутри клеток.

Этот оптический маскирующий эффект можно понять на примере самолёта, летящего над Солнцем. Самолёт трудно увидеть невооружённым глазом из-за яркого Солнца, но если использовать специальный фильтр, то самолёт легко различим в небе.

Янг Джонг Ли, химик из NIST, говорит, что для изучения спектра поглощения белков сквозь плотный водный фон была разработана оптическая система, которая позволяет выявить сигналы белков и определить вклад воды.

Ли разработал методику с использованием оптического элемента для компенсации поглощения воды в ИК-диапазоне. Этот метод, названный SAC, позволил получить изображения клеток фибробластов с помощью ручного лазерного ИК-микроскопа.

За 12 часов наблюдения исследователи смогли идентифицировать группы биомолекул на этапах клеточного цикла. Метод быстрее, чем существующие альтернативы, которые требуют времени работы с лучом на крупной синхротронной установке.

Новый метод SAC-IR не требует красителей или флуоресцентных маркеров, которые могут нанести вред клеткам и дают несогласованные результаты в разных лабораториях.

С помощью этого метода исследователи смогли измерить абсолютную массу белков, нуклеиновых кислот, липидов и углеводов в клетке. Это может помочь стандартизировать методы измерения биомолекул в клетках, что будет полезно для биологии, медицины и биотехнологии.

В клеточной терапии рака модифицированные клетки иммунной системы пациента повторно вводятся в организм. Возникает вопрос: безопасны ли эти клетки и эффективны ли они?

Инновация может помочь оценить здоровье клеток, предоставляя дополнительные сведения об изменениях в их биомолекулах.

Также этот метод можно использовать для скрининга лекарств. Он поможет понять, насколько безопасен и эффективен лекарственный кандидат, а также оценить эффективность новых лекарств путём измерения концентраций различных биомолекул в клетках или проанализировать реакцию разных типов клеток на лекарства.

Исследователи хотят усовершенствовать методику, чтобы точнее измерять другие важные биомолекулы — ДНК и РНК. Это поможет ответить на ключевые вопросы клеточной биологии: например, какие сигнатуры биомолекул указывают на то, что клетка жива, умирает или уже мертва.

Ли отмечает, что иногда клетки замораживают на месяцы и годы, а потом размораживают для дальнейшего использования. Сейчас неизвестно, как лучше всего это делать, чтобы сохранить максимальную жизнеспособность клеток. Но с новыми возможностями измерения можно будет разработать более эффективные методы замораживания и размораживания клеток на основе их инфракрасных спектров.