Neue Technologien zur metabolischen Analyse von Einzelzellen
Biologische Prozesse sind hochkomplex und umfassen eine Vielzahl von Parametern und Reaktionen auf diverse intrazelluläre und extrazelluläre Signale. Die daraus resultierende phänotypische Heterogenität kann nur in experimentellen Einzelzellanalysen geklärt werden, da gesamte Zellpopulationen meist wenig Aufschluss über das individuelle Zellverhalten geben. Das EU-finanzierte Projekt ISOLATE (Developing single cell technologies for systems biology) ist ein ITN (Netzwerk zur Erstausbildung) mit dem Schwerpunkt auf Einzelzellanalysen, um komplexe biologische Phänomene zu erklären. Das Programm führte Schulungen zu einer Reihe von Techniken wie Bioengineering, analytischer Chemie und Systembiologie durch, um wichtige biologische Fragen zu Stoffwechsel und Signalgebung unter physiologischen und pathophysiologischen Bedingungen zu beantworten. Entwickelt wurden Mikrofluidik-basierte Geräte für Einzelzellkulturen, hochkomplexe optische Methoden für Proteinanalysen und Werkzeuge für Metabolitenanalysen. Mit dem mikrofluidischen Zellkultur-Chip konnten Einzelzellen unter kontrollierten Umgebungsbedingungen isoliert und angezüchtet werden, um sie anschließend mit holographischen optischen Pinzetten und Bildgebung genauer zu analysieren. Dies erfolgte mit einem Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskop, das innerhalb von Millisekunden Proteine in Einzelzellen darstellen kann. Die gesamte Versuchsanordnung wurde an einzelnen Saccharomyces-cerevisiae-Zellen getestet, in deren Genom neuartige fluoreszierende Fusionen des Transkriptionsfaktors Mig1 (Mig1 nuclear-cytosolic shuttling) eingebaut waren. Auf diese Weise konnte unter verschiedenen metabolischen Bedingungen das dynamische Verhalten wie auch die Aufnahme von Glukose in Hefezellen beobachtet werden. Obwohl die Lokalisation von Mig1 im Zytoplasma oder Zellkern von der Glukosekonzentration abhing, war offenbar immer ein nukleärer Anteil vorhanden, der dem dynamischen Transport unterliegt. Ein weiteres wichtiges Ergebnis von ISOLATE war die Entwicklung eines ATP-Sensors für NAD (P) H-Autofluoreszenz, mit dem der Metabolismus in einer einzelnen Zelle untersucht werden kann. Für dieses System verwendeten die Wissenschaftler die metabolischen Biosensoren Peredox und TRACK. Gemeinsam lieferte das Projekt wichtige Werkzeuge für Einzelzellanalysen, mit denen nun komplexere Phänomene wissenschaftlich untersucht werden können.
Schlüsselbegriffe
ISOLATE, Mikrofluidik, optische Pinzetten, Saccharomyces cerevisiae, Mig1
