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

Зачем обоняние лёгким Зачем обоняние лёгким

Обоняние в лёгких? Это что, шутка? Вовсе нет!

Наука и жизнь
Секреты Терракотовой армии: 5 удивительных фактов о величайшей археологической находке Секреты Терракотовой армии: 5 удивительных фактов о величайшей археологической находке

Ученые исследуют глиняных воинов императора Цинь Шихуанди уже почти полвека

Maxim
Будущее пятого поколения Будущее пятого поколения

Время 4G на исходе. 5G серьезно изменит нашу жизнь

Популярная механика
7 ошибок при использовании духовки, которые портят и выпечку, и плиту 7 ошибок при использовании духовки, которые портят и выпечку, и плиту

Не можешь подружиться с духовкой? Проверь, не совершаешь ли ты эти ошибки

Лиза
Зёрна в хлебе Зёрна в хлебе

В России с самых давних времён любили вкус ржаного хлеба

Наука и жизнь
6 мифов об ангине 6 мифов об ангине

Ангина опасна своими осложнениями – от заболевания почек до ревматизма

Лиза
«Чувствую полную гармонию…» История болезни Достоевского «Чувствую полную гармонию…» История болезни Достоевского

Почему тайну личности Достоевского способен постичь только врач?

Наука и жизнь
Лиза в Cтране чудес Лиза в Cтране чудес

Для Елизаветы Базыкиной эта работа стала ярким дебютом в кино

OK!
Дольше держит заряд и не виснет: рассказываем, как прокачать iPhone в домашних условиях Дольше держит заряд и не виснет: рассказываем, как прокачать iPhone в домашних условиях

С нашими советами твой гаджет обретет новую жизнь

Maxim
Выкидыш перенесла не только Меган Маркл: королевские женщины, пережившие личную драму Выкидыш перенесла не только Меган Маркл: королевские женщины, пережившие личную драму

Представительницы британской королевской семьи рассказали о потере ребенка

VOICE
Знай наших Знай наших

Уникальные достижения отечественных ученых

Популярная механика
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
Откуда взошла Луна Откуда взошла Луна

Астрономы давно ломают голову над происхождением Луны

Вокруг света
Декоративное ничтожество? Декоративное ничтожество?

Казимир Валишевский — «ничтожество», обладающее умом и ловкостью

Дилетант
Очень страшные истории: Очень страшные истории:

Старуха с бородавкой на щеке каркнула неприятное слово: "перепечь"

VOICE
И обувь очистит, и макияж снимет... Вот, что ещё умеет оливковое масло! И обувь очистит, и макияж снимет... Вот, что ещё умеет оливковое масло!

Как еще можно использовать оливковое масло, кроме как заправить салат

ТехИнсайдер
Вино для друзей Вино для друзей

Российские виноделы меняют вектор экспортных поставок

Агроинвестор
Астрономию исключили из школьной программы. Для чего нужно изучать космос? Астрономию исключили из школьной программы. Для чего нужно изучать космос?

Зачем человечество тратит миллиарды долларов на изучение космоса?

Maxim
«Инопланетянин» с болота Целау «Инопланетянин» с болота Целау

Каждая капля воды населена своими специфическими существами

Наука и жизнь
Предложена новая теория, объясняющая, что такое сознание Предложена новая теория, объясняющая, что такое сознание

Человек осознает свои действия спустя полсекунды от их совершения

ТехИнсайдер
Когда жизнь — трагическая постановка: почему мы так любим драматизировать Когда жизнь — трагическая постановка: почему мы так любим драматизировать

Отрывок из книги Эми Джонсон «Токсичные мысли»

Psychologies
Искусство ревновать Искусство ревновать

Как конкуренция и соревнование сформировали западноевропейское искусство

Weekend
Как природа может помочь вам при стрессе: советы экотерапевта Как природа может помочь вам при стрессе: советы экотерапевта

Что такое экотерапия и как она работает?

Psychologies
Почему близкие становятся чужими и можно ли этого избежать Почему близкие становятся чужими и можно ли этого избежать

Почему люди на самом деле отдаляются и как этого избежать?

Psychologies
Как заниматься сексом с максимальной пользой Как заниматься сексом с максимальной пользой

Может ли секс быть ресурсом?

Psychologies
Как сохранить любовь и не потерять себя: 3 главных принципа отношений Как сохранить любовь и не потерять себя: 3 главных принципа отношений

Что нужно делать нам, чтобы уберечь и свои отношения, и себя настоящего?

Psychologies
Одна вокруг света: бескрайние хлопковые поля по дороге в Амазонию Одна вокруг света: бескрайние хлопковые поля по дороге в Амазонию

189-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко: Бразилия

Forbes
40 диких фактов об акулах, которые знают далеко не все 40 диких фактов об акулах, которые знают далеко не все

Что мы знаем об акулах?

Maxim
Очень страшные истории: Очень страшные истории:

Крипи-история про похоронное бюро от Моран Джурич

VOICE
«У нас есть слово «бабки», а в китайском языке аналогов не существует» «У нас есть слово «бабки», а в китайском языке аналогов не существует»

Продюсер Сергей Пудовкин — как Витасу удалось стать китайским идолом?

Правила жизни
Открыть в приложении