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

Студент Эйнштейн Студент Эйнштейн

Путь Эйнштейна в науку был совсем не таким прямым и естественным

Наука и жизнь
Пережить черную полосу: что происходит с психикой при затяжном стрессе Пережить черную полосу: что происходит с психикой при затяжном стрессе

Что происходит с психикой, когда стресс и неопределенность становятся затяжными?

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

Почему тайну личности Достоевского способен постичь только врач?

Наука и жизнь
Доставка искусства Доставка искусства

Основательницы beauty-пространства Wig Dealers Саша Винер и Катя Архипова

OK!
Часы вместо компаса Часы вместо компаса

Показываемое часами время связано с положением Солнца

Наука и жизнь
После долгой реставрации в Санкт-Петербурге открывается Белый зал Фонтанного дома — о легендарном месте размышляет Сергей Николаевич После долгой реставрации в Санкт-Петербурге открывается Белый зал Фонтанного дома — о легендарном месте размышляет Сергей Николаевич

Чем так значим Белый зал в Шереметьевском дворце?

СНОБ
Зёрна в хлебе Зёрна в хлебе

В России с самых давних времён любили вкус ржаного хлеба

Наука и жизнь
Парадоксы безработицы Парадоксы безработицы

Почему рынок труда в России не обвалился в условиях санкций

РБК
Жизнь по 102-й горизонтали Жизнь по 102-й горизонтали

Как живет один из самых необычных заповедников России?

Наука и жизнь
Текст должен быть событием: кто такая Анни Эрно, получившая Нобелевскую премию по литературе Текст должен быть событием: кто такая Анни Эрно, получившая Нобелевскую премию по литературе

Почему тексты нобелевского лауреата Анни Эрно могут казаться слишком личными

Правила жизни
Затерянный Хуэй Затерянный Хуэй

Как хуэй стали дунганами и оказались по другую сторону от Небесных Гор?

Вокруг света
В чем смысл жизни: почему люди веками ищут ответ на этот вопрос и можно ли его найти В чем смысл жизни: почему люди веками ищут ответ на этот вопрос и можно ли его найти

Нужно ли искать свой смысл жизни?

Psychologies
Куда заливать гель для стирки в машине-автомат Куда заливать гель для стирки в машине-автомат

Куда заливать гель для стирки в машинку, а куда засыпать сухой порошок?

CHIP
Почему ведьмы летают именно на метлах? Почему ведьмы летают именно на метлах?

Рассказываем увлекательную историю отношений ведьмы и метлы!

ТехИнсайдер
Руки делают Руки делают

Для героев этого проекта хобби – не просто увлечение

Новый очаг
Повышенная чувствительность: в чем плюсы? Повышенная чувствительность: в чем плюсы?

Разбираемся, что такое повышенная чувствительность и как живут такие люди

Psychologies
Гроб изнутри и снаружи Гроб изнутри и снаружи

Смехотворная смерть и страшная жизнь в «Самоубийце» Эрдмана

Weekend
Как ухаживать за ногтями в домашних условиях: 10 правил Как ухаживать за ногтями в домашних условиях: 10 правил

Что делать, если слоятся и ломаются ногти?

РБК
Насколько крепко держатся шипы в зимней резине: невероятный эксперимент именитых шинников Насколько крепко держатся шипы в зимней резине: невероятный эксперимент именитых шинников

Как шинники подвесили автомобиль вверх тормашками и главное - зачем?

ТехИнсайдер
4 волшебных правила домашней сушки волос феном, которые все почему-то нарушают 4 волшебных правила домашней сушки волос феном, которые все почему-то нарушают

Мечтаешь дома создавать укладки не хуже, чем в салоне красоты?

VOICE
Стареть в России Стареть в России

Почему в нашей стране все с ужасом думают о старости?

Новый очаг
Какой мирный договор сделал Россию великой державой: история может удивлять Какой мирный договор сделал Россию великой державой: история может удивлять

Швеция была великой державой почти столетие, но уступила этот статус России

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
Николай Лебедев: «Сегодня важно не растерять себя» Николай Лебедев: «Сегодня важно не растерять себя»

Думаю, рецепт создания кассовой картины только один

Коллекция. Караван историй
Стертые имена: женщины, чью славу украли мужчины Стертые имена: женщины, чью славу украли мужчины

Нередко женщины оставались в тени, а их достижения присваивали мужчины

VOICE
Судебная драма «Аргентина, 1985»: как Латинская Америка победила военную хунту Судебная драма «Аргентина, 1985»: как Латинская Америка победила военную хунту

Как Сантьяго Митре показывает одно из главных событий в истории Аргентины

Forbes
Натуральная и экокосметика – в чем разница? Натуральная и экокосметика – в чем разница?

«Зеленая» тема перекочевала из модной тенденции в особый образ жизни

Лиза
Живые впечатления от Haval Dargo: что хорошо, а что реально плохо Живые впечатления от Haval Dargo: что хорошо, а что реально плохо

Может ли кроссовер с внешностью внедорожника съехать с асфальта

Maxim
Онежские поморы оказались генетически близки к финноязычному населению и скандинавам Онежские поморы оказались генетически близки к финноязычному населению и скандинавам

Российские генетики исследовали ДНК 130 онежских поморов мужского пола

N+1
7 лайфхаков, как смотреть на жизнь с юмором 7 лайфхаков, как смотреть на жизнь с юмором

Небольшой гид по позитивному отношению к жизни

Maxim
Открыть в приложении