Все живые существа состоят из клеток, и клетки эти — разные

Наука и жизньНаука

«Одноклеточная биология»

Кирилл Стасевич

Микрофотография клетки остеосаркомы — одной из злокачественных опухолей кости. Фотография сделана с помощью конфокального флуоресцентного микроскопа. Цветные нити — это цитоскелетный белок актин. Его окрашивали фаллоидином, токсичным циклическим пептидом из бледной поганки. Фаллоидин специфически связывается с актиновыми нитями. Сам по себе фаллоидин не флуоресцирует. Чтобы он светился, к нему присоединяют небольшие флуоресцирующие молекулы.

Все живые существа состоят из клеток, и клетки эти — разные. Клетки растений, грибов, клетки бактерий или клетки животных — все они отличаются друг от друга. Но и в каждом отдельном животном ведь не все же клетки одинаковы? Есть клетки кожи, клетки сердца, клетки печени и т. д. Заглянем ещё глубже и увидим, что в одном и том же органе клетки опять отличаются: в коже, например, есть слой эпидермиса, под ним — слой дермы, да и в самом эпидермисе различают несколько слоёв клеток. Достаточно посмотреть в микроскоп на клетки эпидермиса, чтобы увидеть, что они не копируют друг друга: там, где у одной клетки выступ, у другой окажется впадина.

Индивидуальные отличия между клетками можно найти не только в их внешнем виде, но и в биохимических реакциях, взаимодействиях между внутриклеточными молекулами, в активности генов. И ничего удивительного в этом нет. Например, все клетки так или иначе общаются с соседями с помощью биохимических сигналов. Кому-то сигнальных молекул достаётся больше, кому-то меньше — просто из-за особенностей расположения клетки в одном и том же органе. На разные сигналы или на разный уровень одного и того же сигнала клетки будут отвечать по-разному, пусть даже они относятся к одному и тому же виду.

Ещё можно вспомнить, что весь человеческий организм развивается из одной-единственной оплодотворённой яйцеклетки. Она делится, её дочерние клетки делятся, их дочерние клетки тоже делятся, и так много-много раз. При делении клетка удваивает (реплицирует) ДНК, а при синтезе ДНК в ней порой появляются ошибки — так уж устроен аппарат синтеза ДНК. Некоторые ошибки клетка устраняет, но некоторые так и остаются в наследство дочерней клетке и её потомкам. А ведь есть ещё мутации от внешних факторов, которые одна клетка опять же сумеет исправить, а другая — не сумеет. То есть у идентичных на вид клеток появляются отличия в геноме, которые можно обнаружить, только прочитав клеточную ДНК или проанализировав активность генов.

Если изучают общие свойства какой-нибудь ткани, индивидуальные отличия между клетками неважны. Все нейроны способны проводить импульс, все мышечные клетки могут сокращаться, и чтобы узнать, как они это делают, берут сразу очень много клеток — то есть в прямом смысле кусок ткани — и перетирают их, разрывают связи между ними, разрушают клеточные мембраны, а из образовавшегося «супа» вылавливают белки, нуклеиновые кислоты или какие-то продукты метаболизма. И если у двух-трёх-четырёх или даже ста клеток будут какие-то особенности в белках или нуклеиновых кислотах, на общем фоне этого не увидеть.

Но как быть, если надо изучить нечто, присущее именно отдельным клеткам? Возьмём, например, раковую опухоль: у злокачественных клеток есть много разных мутаций, какие-то мутации у них общие, но при этом опухоль в целом по мутационной картине может быть довольно разнообразной. Новые мутации, появившись у группы раковых клеток, могут защитить их от терапии, и тогда у больного, который как будто полностью избавился от опухоли, она через какое-то время появится снова. И чтобы лучше понимать, как развивается опухоль, хорошо бы уметь анализировать клетки поштучно.

Извлечение клеток лазерной захватывающей микродиссекцией. Лазерный луч отделяет нужную клетку от её соседей в срезе ткани. Затем вырезанную клетку можно либо достать с помощью полимера, который размягчается и делается липким при слабом нагревании (A), либо заставить её саму выпасть под действием силы тяжести (B). Ещё один вариант — вытолкнуть вырезанную клетку расфокусированным лучом лазера (C). Рисунок (с изменениями) из статьи: Gross A., Schoendube J., Zimmermann S. et al. Technologies for Single-Cell Isolation. Int. J. Mol. Sci. 2015, 16, 16897-16919. doi.org/10.3390/ijms160816897.

Как отделить клетку от клетки

На самом деле наука уже давно изучает одиночные клетки — с тех пор, как стало возможным увидеть их в микроскоп. Но просто в микроскоп мы разглядим разве что какие-то особенности их строения. Микроскопия, безусловно, помогает сделать кое-какие выводы о том, как клетка живёт и работает. Однако это будет не полная картина.

Есть большой комплекс методов, позволяющих изучать физиологию отдельной клетки, — например, способность генерировать и проводить сигнал. Нейробиологи уже давно умеют изучать электрические свойства не просто одного-единственного нейрона, но и его отдельных отростков. Правда, это сравнительно обособленная область, и касается она только одного аспекта жизни клетки. В любом случае «электрические» особенности нейронов зависят от того, какие гены и когда у них включаются и какие белки в них содержатся.

Сейчас у биологов всё чаще возникает потребность получить молекулярный портрет индивидуальной клетки, причём желательно, чтобы этот портрет состоял не из одного-двух белков или генов, а из максимально полного их набора.

Чтобы иметь возможность изучать клетки по отдельности, необходимо решить целый ряд задач. Для начала нужно достать одну-единственную клетку из толщи ткани. Как это сделать? Например, нарезать ткань на тончайшие слои, чтобы отдельный срез был не толще нескольких десятков микрометров, и уже из одного такого среза вытащить нужную клетку. Её ищут под микроскопом, у которого есть лазерная установка, — именно лазер поможет отделить клетку от соседей. Лазерный «нож» достаточно тонок, чтобы не повредить ту клетку, которую выбрали.

Но как достать вырезанную клетку? Здесь приходит на помощь тот же лазер в виде лазерного пинцета: расфокусированный, чтобы не навредить клетке, пучок света выталкивает её из слоя давлением фотонов. Другой способ — дать вырезанной клетке упасть под действием силы тяжести. Наконец, есть ещё вариант, когда до вырезанной клетки дотрагиваются специальным легкоплавким полимером: его облучают инфракрасным светом, полимер размягчается и прилипает к клетке, а дальше остаётся только достать её.

Подобные манипуляции получили название лазерной захватывающей микродиссекции, хотя, может быть, удачнее было бы назвать это лазерной микродиссекцией с захватом (LCM, laser capture microdissection). Диссекция означает «препарирование», «рассечение», «разрез», но надо не просто разрезать и рассечь биологическую ткань, а одновременно захватить клетку, чтобы изучить её саму по себе, без соседей.

Можно обойтись без лазера, если оснастить микроскоп манипулятором с двумя микропипетками. Одна пипетка будет выдувать воздух, другая — всасывать. Глядя в микроскоп на срез ткани и управляя пипетками, нужную клетку в прямом смысле высасывают из ткани.

Если клетку извлекают с помощью микроманипуляции или лазерной диссекции, то чётко видно, откуда её достали. И это плюс. Но у микроманипуляции и диссекции есть один существенный минус — низкая пропускная способность. Иными словами, выковыривая клетки поштучно, много их не получишь. Поэтому, если требуется сразу много одиночных клеток, используют другие методы, в которых сначала создают клеточную суспензию (взвесь), механическими и химическими способами разрушая связи клеток друг с другом и с твёрдым субстратом, если они на нём сидели.

Клетки держит вместе межклеточное вещество или специальные соединительные белки, и разъединить их можно ферментами, которые осторожно разрушат крепёжные молекулы. Конечно, отделять клетки друг от друга нужно так, чтобы не повредить их мембраны.

Затем клеточную взвесь отправляют в микрофлюидное, или микропоточное, устройство, в котором клетки двигаются по очень тонким микрокапиллярам. Между стенками микрокапилляра может поместиться только одна клетка — значит, по капилляру они идут строго друг за другом.

Дальше могут быть разные варианты. Например, в микрокапилляре делают мембранные клапаны, которые то перегораживают капилляр, то открывают его. С помощью таких клапанов можно отделить клетки друг от друга. Не обязательно следить за ними напрямую: известно, что поперёк капилляра не может поместиться больше одной клетки, известен диаметр капилляра и скорость, с которой движется по нему жидкость с клетками, — значит, можно рассчитать частоту, с которой должны работать разделяющие клапаны.

Другой способ разделить клетки в системе капилляров — это смешать их с гидрофобной жидкостью. Капилляр, по которому идёт жидкость с клетками, пересекается с другим капилляром, по которому идёт гидрофобная жидкость — её можно назвать маслом. Масло делит жидкость с клетками на множество капель с одной-единственной клеткой в каждой капле. Затем эти шарики, окружённые маслом, отправляются в реакционные микроёмкости — в каждую ёмкость попадёт по одной капле с одной клеткой.

Ещё один вариант — движение потока жидкости с клетками над поверхностью с множеством впадинок-гнёзд. В каждом гнезде помещается только одна клетка; если какая-то одна попала в определённую впадинку, то другая клетка сюда уже не поместится и пойдёт дальше, до свободного гнезда. Так все клетки в суспензии сами распределяются по одиночным гнёздам.

Иначе сортируются клетки в методах, опирающихся на проточную цитометрию (см. статью «Управление полом», «Наука и жизнь» № 12, 2019 г.). Здесь жидкость с клетками течёт мимо специального датчика, отсчитывающего пробегающие перед ним клетки. Клетки выстраиваются в устройстве одна за другой благодаря так называемой гидродинамической фокусировке. В проточном канале есть внутренняя струя жидкости с клетками и внешняя, или струя-оболочка, которая бежит вплотную к стенкам канала, — за счёт особенностей гидродинамики одной и другой струи они не смешиваются, а клетки во внутренней струе начинают двигаться поодиночке. На шеренгу клеток падает луч лазера, который отмечает каждую клетку и попадает в фотоприёмник. Фотоприёмник может просто считать клетки — изначально проточную цитометрию для этого и придумали. Но потом появились модификации метода, позволяющие клетки не просто считать, но и сортировать. При сортировке клетки проходят через вибрирующий носик, который заключает каждую клетку в отдельную каплю жидкости. Если в капле находится клетка одного типа, то такой капле сообщают электрический заряд, после чего она проходит через электромагнитное поле, изменяющее движение заряженных частиц, и попадает в ёмкость для клеток своего типа. Если же в капле находится клетка другого типа, то каплю или не заряжают, или заряжают противоположным по знаку зарядом, и она попадает в другую ёмкость.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Любители нектара Любители нектара

Каких животных больше всего на Земле? Насекомых!

Наука и жизнь
Маленький театр Маленький театр

Ева Польна о любви к яркому, к себе, к живописи и мечте создать бренд одежды

OK!
На задворках Солнечной системы На задворках Солнечной системы

Какие тайны скрывают далёкие мало изученные миры?

Наука и жизнь
На подходе — искусственный разум На подходе — искусственный разум

Смогут ли физики приблизить будущее?

Наука
Зёрна в хлебе Зёрна в хлебе

В России с самых давних времён любили вкус ржаного хлеба

Наука и жизнь
Неудобное искусство Неудобное искусство

Закат цивилизации: движение культуры на Запад, Афродита-азиатка и амфоры-гробы

Правила жизни
«Чувствую полную гармонию…» История болезни Достоевского «Чувствую полную гармонию…» История болезни Достоевского

Почему тайну личности Достоевского способен постичь только врач?

Наука и жизнь
Мужчины больше подвержены риску сердечно-сосудистых заболеваний. Как это предотвратить? Мужчины больше подвержены риску сердечно-сосудистых заболеваний. Как это предотвратить?

Какими способами можно устроить профилактику сердечных заболеваний

ТехИнсайдер
Тайна китов со странным запахом Тайна китов со странным запахом

Почему мясо серых китов имеет специфический «лекарственный» запах?

Наука и жизнь
Как перестать мучиться вопросом «Что скажут люди?»: 9 шагов Как перестать мучиться вопросом «Что скажут люди?»: 9 шагов

Как изменить отношение к чужому мнению?

Psychologies
Где лечиться? Где лечиться?

В какую поликлинику идти – государственную или частную

Домашний Очаг
8 экспонатов выставки «Под маской Венеции» 8 экспонатов выставки «Под маской Венеции»

Гости выставки-приключения могли отправиться в Венецию XVIII века

Культура.РФ
Иди и дружи! Иди и дружи!

Как быть, если в книжках дружба есть, а в жизни ребенка – совсем наоборот?

Лиза
Как достижения космонавтики отразились в советском фарфоре Как достижения космонавтики отразились в советском фарфоре

В 1950-х в СССР началась «космическая эра». Как она отразилась на фарфоре?

Культура.РФ
Набоков-ученый, Бунин-постмодернист и сборник статей главного американского критика: 7 новых книг о писателях Набоков-ученый, Бунин-постмодернист и сборник статей главного американского критика: 7 новых книг о писателях

Как в наши дни читать Тургенева и Чехова, что Набоков думал о теории Дарвина

Правила жизни
«Система VAC не смогла проверить вашу игровую сессию»: как исправить эту ошибку? «Система VAC не смогла проверить вашу игровую сессию»: как исправить эту ошибку?

Что такое система VAC и почему она не дает вам запустить игру?

CHIP
Что на самом деле означает переживать кризис среднего возраста и как его преодолеть Что на самом деле означает переживать кризис среднего возраста и как его преодолеть

Чувство потерянности, бесцельности и опустошения?

ТехИнсайдер
Бесконечное пианино: музыкальная история дома Пастернака в Переделкино. Эссе Ляли Кандауровой Бесконечное пианино: музыкальная история дома Пастернака в Переделкино. Эссе Ляли Кандауровой

«Ты можешь восстановить звуки? Партитуру звуков этого места»

Правила жизни
Торг у прилавка: кто и зачем реконструирует советские рынки в Санкт-Петербурге Торг у прилавка: кто и зачем реконструирует советские рынки в Санкт-Петербурге

Александр Шавлиашвили — как и зачем начал восстанавливать рыночные пространства

Forbes
Какой ужас, пойду еще посмотрю: почему нам нравится пугать себя Какой ужас, пойду еще посмотрю: почему нам нравится пугать себя

Все мы просто обожаем бояться, но почему?

VOICE
В чем польза квашеной капусты: 6 фактов о величайшей из закусок В чем польза квашеной капусты: 6 фактов о величайшей из закусок

Подвергшаяся ферментации капуста — удивительное биохимическое явление

Maxim
10 самых скверных женских вопросов на первом свидании 10 самых скверных женских вопросов на первом свидании

Иногда лучше мычать, чем говорить: самый страшный опыт знакомств.

Maxim
Ветряки с вертикальной осью оказались эффективнее солнечных батарей в 1,5 раза! Ветряки с вертикальной осью оказались эффективнее солнечных батарей в 1,5 раза!

Новая разработка для улавливания энергии ветра на крыше

ТехИнсайдер
Путешествия – способ узнать мир, в котором повезло жить Путешествия – способ узнать мир, в котором повезло жить

Путешествовать очень полезно для здоровья!

Здоровье
Спутник каждый день: реалистичны ли новые планы «Роскосмоса» Спутник каждый день: реалистичны ли новые планы «Роскосмоса»

Для производства спутника в день потребуется ломка всех принципов космопрома

Forbes
«У нас хватило ума…» «У нас хватило ума…»

Как завершалась холодная война между СССР и США?

Дилетант
Витамины, которые стоит принимать при менопаузе Витамины, которые стоит принимать при менопаузе

Как подготовиться к менопаузе?

Лиза
Машины знаменитостей, пущенные с молотка за огромные деньги Машины знаменитостей, пущенные с молотка за огромные деньги

Посмотрите на аукционные автомобильные лоты, принадлежавшие известным людям

РБК
Почему самые лучшие идеи рождаются во время душа Почему самые лучшие идеи рождаются во время душа

Почему в душе ускоряется креативное мышление?

ТехИнсайдер
Режим повышенной готовности: как справиться с тревогой от чрезмерной бдительности Режим повышенной готовности: как справиться с тревогой от чрезмерной бдительности

Что делать, если при виде полицейских у метро у вас начинается паника

Psychologies
Открыть в приложении