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

Гены, дрожжи и… человек Гены, дрожжи и… человек

Интервью с Дмитрием Кнорре об исследовании дрожжей

Наука и жизнь
Рыба в молоке тигра: особенности перуанской кухни Рыба в молоке тигра: особенности перуанской кухни

Как быстро приготовить сытное блюдо из картофеля и откуда в Перу молоко тигра?

СНОБ
Гены, бактерии и… эволюция Гены, бактерии и… эволюция

Интервью с Петром Сергиевым об исследовании генов

Наука и жизнь
Рассказ Ромы Зверя о том, как музыка объединила и трагически разлучила его с одним человеком и что дала взамен Рассказ Ромы Зверя о том, как музыка объединила и трагически разлучила его с одним человеком и что дала взамен

Рома Зверь — о том, как он впервые соприкоснулся с музыкой и куда она его повела

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
Плакать нормально: почему бессилие в травматичной ситуации — это по-взрослому Плакать нормально: почему бессилие в травматичной ситуации — это по-взрослому

Почему плакать и горевать — это важно и нормально

Psychologies
Зёрна в хлебе Зёрна в хлебе

В России с самых давних времён любили вкус ржаного хлеба

Наука и жизнь
«Когтистый зверь, скребущий сердце»: в театре Фоменко поставили «Маленькие трагедии» «Когтистый зверь, скребущий сердце»: в театре Фоменко поставили «Маленькие трагедии»

Режиссер Федор Малышев замешивает свой сет пушкинских трагедий

Forbes
Шоколад Шоколад

«Пища богов». Именно так называют продукт, знакомый каждому сладкоежке – шоколад

Здоровье
Грецкий орех Грецкий орех

Ядро грецкого ореха неспроста похоже на человеческий мозг

Здоровье
Научиться дозировать Научиться дозировать

Есть способы преодолеть переедание, а заодно и усталость (и нелюбовь к себе)

Psychologies
Лукерья Ильяшенко: Лукерья Ильяшенко:

Лукерья Ильяшенко — о любимых ролях, стремлении к свободе и необычном имени

Караван историй
Травоядный хищник, или Как большие панды приспособились к бамбуку Травоядный хищник, или Как большие панды приспособились к бамбуку

Удивительное исключение из хищников: травоядная большая панда

Наука и жизнь
Что такое гормоны счастья и где их взять в это непростое время? Что такое гормоны счастья и где их взять в это непростое время?

Если наладить гормональный фон, то жить станет гораздо легче

Правила жизни
Как Россия колонизировала Северную Америку и что стало с нашими колониями Как Россия колонизировала Северную Америку и что стало с нашими колониями

От Аляски до юга Калифорнии в середине 18 века правила Российская империя

ТехИнсайдер
5 исчезнувших этнических групп, которые когда-то жили в России 5 исчезнувших этнических групп, которые когда-то жили в России

Котты, гоайе и другие вымершие этнические группы России

ТехИнсайдер
ОСАГО изменилось с 1 октября: что важно знать всем водителям ОСАГО изменилось с 1 октября: что важно знать всем водителям

Схемы для выплат по ОСАГО изменили после распоряжения ЦБ

РБК
Остановка по требованию Остановка по требованию

Как понять, что вы думскроллите и как с этим бороться?

Grazia
Что делать, если кольцо застряло на пальце? 4 способа безболезненно освободиться от украшения Что делать, если кольцо застряло на пальце? 4 способа безболезненно освободиться от украшения

Способы снять кольцо с пальца так, чтобы сохранить и украшение, и фалангу

ТехИнсайдер
Сашины слезы Сашины слезы

«Аврора»: московский комедийный нуар Романа Волобуева

Weekend
Экспресс Экспресс

Как проходили съемки фильма «Экспресс» в Карачаево-Черкесии

Собака.ru
Четыре причины не бояться одиночества Четыре причины не бояться одиночества

Почему страх одиночества не стоит жертв?

Psychologies
Великий круговорот Великий круговорот

Не всё потеряно с перерождением и бессмертием

Новый очаг
От SOMA до Resident Evil: топ-7 самых страшных видеоигр на любой вкус От SOMA до Resident Evil: топ-7 самых страшных видеоигр на любой вкус

Хорроры-видеоигры, которые не оставят вас равнодушным

ТехИнсайдер
Вера Майорова-Земская: «Учитесь у нее, как надо играть», — говорил Пырьев на съемочной площадке Вера Майорова-Земская: «Учитесь у нее, как надо играть», — говорил Пырьев на съемочной площадке

Актриса Театра на Бронной Вера Майорова-Земская — уникальный свидетель эпохи

Коллекция. Караван историй
Девственники поневоле: кто такие инцелы и за что они не любят женщин Девственники поневоле: кто такие инцелы и за что они не любят женщин

Инцел — это человек, который не может найти себе сексуального партнера

Maxim
“Мисс русская красавица в изгнании”: как сто лет назад эмигранты из России проводили первые конкурсы красоты “Мисс русская красавица в изгнании”: как сто лет назад эмигранты из России проводили первые конкурсы красоты

Как проводили первые конкурсы красоты среди эмигранток из России начала 20 века

VOICE
Ученые имплантировали фрагменты мозга человека в новорожденных крыс Ученые имплантировали фрагменты мозга человека в новорожденных крыс

Ткани человеческого мозга были успешно трансплантированы в нервную систему крыс

ТехИнсайдер
Чем нужно завтракать, чтобы поддержать здоровье сердца? Проверьте, входит ли это блюдо в ваш рацион Чем нужно завтракать, чтобы поддержать здоровье сердца? Проверьте, входит ли это блюдо в ваш рацион

Каша — одно из самых полезных блюд для нормальной работы сердца

ТехИнсайдер
Лучше не станет, а время уйдет: почему не надо пытаться сохранять отношения Лучше не станет, а время уйдет: почему не надо пытаться сохранять отношения

"Работа над отношениями" — женская задача

VOICE
Открыть в приложении