探索生命的分子

彼得博士所是着迷的社会影响在推动科学发现技术及其关键的角色。系的化学和生物化学副教授马里兰大学,他的研究推动创新在生物分析仪器及其应用。

这些新一代的质谱(MS)技术能够测量分子在发展中生物系统有重要意义。他们甚至可以用来研究单个细胞或整个胚胎,帮助我们理解复杂的分子系统支撑细胞和神经发育生物学,细胞命运和疾病。

188金宝搏备用最近采访了所学习他的实验室是“挖金矿的发现”在发育生物学,MS-based分析的未来会发生什么和挑战与探索生命的分子只存在几分钟内。

莫莉·坎贝尔(MC):为什么它是重要的学习神经科学和发育生物学从蛋白质组学和代谢组学的角度来看,尤其是在单细胞水平?

彼得所(PN):在健康发展,被称为转录分子、蛋白质和代谢物必须在正确的浓度,在正确的时间和正确的地点。几十年的生物研究都集中在生产和发展意义重要的记录——主要是和一些蛋白质。然而,越来越多的证据从最近的研究揭示了复杂的转录和蛋白质之间的相关性在开发系统中,因此需要直接对蛋白质和代谢物的分析。这些分子的挑战是发现在小数量的材料包含足够的敏感性由单个细胞和神经元。例如,女士,这些分子检测技术之一,需要汇集数千甚至数百万个细胞,从而失去每个单元的信息。

只是最近我的实验室和其他人建立生物分析仪器有足够的灵敏度检测单个细胞和神经元中的代谢物和蛋白质。通过测量这些分子的生产在一个单细胞的决议,我的实验室发现了未知的神经干细胞,可重复形式之间的差异和表皮组织,和信号慢跑在脊椎动物蛙胚胎,以及单一神经元的小鼠中枢神经系统。

我们的功能性生物研究发现这些分子代谢物能够重组细胞的命运,干扰信号,甚至影响整个有机体的行为。这些结果就不会显示只有成绩单以单个细胞,因为记录在我们的发展中胚胎不一定与蛋白质,尤其是代谢物。这个例子演示了如何整合细胞化学的分子状态信息,与细胞功能的洞察力/发育生物学和神经科学,打开理解分子细胞的程序执行一种令人振奋的新的可能性在健康和疾病。

MC:你能给我们谈谈关于MS-based的关键挑战的研究蛋白质/代谢物在开发吗?

PN:MS-based蛋白质组学和代谢组学在cell /发育生物学和神经科学面临着许多挑战,也正是我们的化学背景发挥作用的地方在我的实验室。大部分这些挑战呼吁从仪器分析化学专业的工具和方法。例如,微小的蛋白质和代谢物必须收集的小细胞,可能是也可能不是嵌入在复杂组织甚至整个有机体如三维的复杂(青蛙)胚胎。好像是不够困难对我们来说,发展本身对我们严格的时间尺度实验。的细胞研究神经发育过程中只存在~ 15 - 20分钟前胚胎发展到下一阶段。这意味着我的小组的成员只有几分钟之前收集细胞,长“消失”,这意味着我们将不得不重新开始工作。

这些收集到的材料必须被处理,而不丢失的材料表面,吸管的技巧和瓶,等。分子产生的样本必须分离,有效电离,然后女士识别和量化的工具。

复杂的生物环境产生成千上万成千上万的信号,要求精致的决议,特异性和敏感性。这些分子也在广泛的浓度范围,通常覆盖一个7-to-10-decade动态范围。我实验室(等)开发了专门分析质谱平台和协议来解决这些关键问题。

主持人:您的实验室需要一个跨学科的方法来解决上述挑战通过开发下一代质谱技术。你能讨论一些最近的平台和方法开发了吗?

PN:学生和博士后工作很努力在我的实验室开发一些技术和方法来解决这些分析的挑战。我负债累累,他们努力工作和奉献。

迷迭香Onjiko,卡米尔博士Lombard-Banek和凯伦博士德莱尼,以及博士研究生Erika Portero公司和山姆B崔,开发了专门的手工方法解剖确定细胞/神经元或探针的化学成分直接住胚胎或在大脑组织。他们有精密制造微细管大小可伸缩的收集单个细胞和神经元蛋白质和代谢物的大小不一的“闪电的速度”。不到五秒,我们现在能够收集细胞!

团队也定制的毛细管电泳仪器分离蛋白质、肽和代谢物在高分辨率,和我们的家庭制造CE电喷雾电离接口转换这些分子在效率高。

在平行,崔和郑介绍了智能策略和基于人工智能检测软件包,序列,识别并量化这些生物分子在超高灵敏度。attomole-to-zeptomole下限较低的检测,我们可以检测到~ 2000 +不同的蛋白质,包括许多low-abundance转录因子,和~ 100 +不同的代谢物,包括一些神经递质分子,通过抽样只有一部分的单个细胞或神经元的内容。

此外,Leena Pade杰李,以及其他组的成员,正在开发激动人心的新方法来解读分子单分化细胞的变化及其在开发过程中克隆。请继续关注即将到来的出版物从我们的小组学习这些激动人心的进展!

开发一个单一神经元蛋白质质量分析器。视频来源:科学。

司仪:哪些关键的见解时,你获得了应用这样的平台/ cell /发育生物学研究方法?

PN:“我们是挖金矿的发现”,我和我的小组成员经常笑话。女士用自制超灵敏的平台让我的团队发现未知的分子差异单一细胞再生情况区分不同类型的组织。我们也使用这些工具来描述单一神经元的蛋白质含量和single-tissue原子核在老鼠的神经系统。基于细胞命运跟踪进行功能实验,成像和显微镜下注射时,我们发现了代谢物能够重组表皮注定要成为神经组织和细胞反之亦然。

Portero公司最近发现胚胎分子相邻细胞之间的交流,造成胚胎体的模式。这些发现对胚胎的新陈代谢驱动模式成为一个cell /发育生物学和神经科学的新篇章。我们也有多个项目中,我们研究的分子机制的神经沟通和记忆,听觉感知和障碍和各种畸形的发展,包括癌症。

主持人:什么好处有一个跨学科的方法来研究在此背景下?

PN:通过整合化学、软件开发、生物学和神经科学,我们有一个独特的机会,以更好地了解化学推动生物在细胞水平上,反之亦然,因此支持有效疗法的发展。

而科学是令人兴奋的,令人羞辱的且非常有益的能够培养下一代的科学家通过我实验室的跨学科项目。在实验室里的几个学员都来自传统上未被充分代表的少数民族在科学,技术,工程和数学(STEM)字段,因此作为他人的鼓励和杰出的榜样。年底任期在我的实验室,这些有才华的年轻专业人员开发一个天资交谈在生物学和化学。这技能使他们更有效地解决当前chemistry-biology问题,问新问题,对社会有着重要的意义。我不需要一个水晶球来知道科学的未来将是光明的手中的这些有才华的科学家。

我不需要一个水晶球来知道科学的未来将是光明的手中的这些有才华的科学家——所。

主持人:你能讨论的挑战仍在单细胞蛋白质组学和代谢组学,在神经科学中的应用研究和其他领域的研究?

PN: 有很多挑战,但幸运的是,更多的解决方案被提出的努力很多同事来自许多国家和大洲。

没有放大整个蛋白质组和代谢组的可能性,单细胞蛋白质组学和代谢组学取决于提供的检测灵敏度,同时我的实验室和其他已经取得了很大的进步,这将是重要的继续发展的有效样本的方法,流程,独立,电离和质谱仪检测这些分子,以及为其他科学家带来这些发展。

并行,将是至关重要的软件工具来提取重要的信息从这些研究多维产生的质谱数据。幸运的是,这些相互关联的步骤可以解决在独立的实验室,从而放大发展努力希望把单细胞蛋白质组学和单细胞代谢组学从几个专业实验室,像我一样,“群众”。

MC:蛋白质组学和代谢组学研究方面目前你最兴奋,和你个人对未来渴望在这个空间?

PN: 我兴奋地看到科学和科学家改善的重要性,和驾驶,我们共同的未来。让我们想想光显微镜的影响,大众女士和基因编辑。三个世纪前,microscopist-microbiologist安东尼·范·列文虎克开发出复合显微镜,发现神秘的“微生物”,或微生物,因为今天我们称之为。他的显微镜工作开创了微生物学和生物学的许多领域中设置一个运动阶段,包括现代细胞生物学、神经科学、细菌学和病毒学。

只有二十年前,教授。约翰·芬恩和Koichi田中共享诺贝尔化学奖的开创性工作生物女士,现代蛋白质组学和代谢组学铺平了道路。这种技术已经成为不可或缺的基础和应用生物学,包括临床科学。2020年,教授。Emmanuelle贝纳和詹妮弗Doudna收到为开发CRISPR-Cas9诺贝尔化学奖遗传剪刀,革新了许多细胞生物的调查问题,并提出了一个潜在的治疗某些类型的遗传疾病。我吸引了许多研究的可能性,这些工具的集成(和其他方法)将承担让发现,女士占据中心舞台的分子分析。

单细胞女士有可能帮助改变生物学和卫生研究的许多领域。这一技术使蛋白质和代谢物的检测和量化不需要功能探针(没有必要抗体)。它可以伸缩的单个细胞的大小和细胞位于复杂的环境。单细胞质谱也可以与细胞生物学和神经科学的技术集成,从而推动创新。例如,在我们的实验室,显微镜的集成工具cell /发育生物学和神经科学和MS-based蛋白质组学和代谢组学的技术发现的细胞命运改变代谢产物和代谢细胞间的沟通。

其他实验室也在激动人心的进步领域的单细胞女士,包括加快单细胞蛋白质组学新技术(例如,nanoPOTS MS)和关联单细胞转录组与单细胞蛋白质组学数据(例如,MS)范围。那会是多么的迷人学会使用这种类型的信息从单细胞质谱发展皮肤,肝脏肾脏,等需求没有器官排斥的风险?或者开发新一代治疗化学裁剪,通过“中耳炎”,一个病人! ?

彼得博士所莫莉坎贝尔说,科学技术网络作家。188金宝搏备用