Лабораторная платформа DIY оценивает новые молекулы за считанные минуты

Растения — это электростанции молекулярного производства. За многие века они эволюционировали, чтобы производить множество малых молекул — некоторые из них полезны и ценны для людей, в то время как другие могут быть смертоносными. В течение многих лет для ученых, ищущих новые лекарства, хорошим способом отличить полезные молекулы растительного происхождения от вредных был научный тест на обоняние: капнуть немного молекулы на один конец чашки Петри и бросить крошечных червей-нематод (C. elegans) на другой, затем подождать, чтобы увидеть, будут ли химически чувствительные черви двигаться к рассматриваемому соединению или от него, процесс, известный как хемотаксис.

Этот «кустарный» метод невероятно медленный. Анализ одной новой молекулы может занять два часа. Но теперь команда из Института нейронаук У Цай в Стэнфордском университете под руководством Мириам Гудман, профессора молекулярной и клеточной биологии, разработала аппаратное и программное обеспечение, которое превращает стандартный планшетный сканер в лабораторную платформу, способную оценить десятки образцов хемотаксиса за считанные минуты. Платформа может подготовить 20 пластин за раз и установить четыре пластины на сканере для проведения 80 химических анализов примерно за час.

«Во времена кустарного производства, если кто-то был действительно искусен и делал всю подготовительную работу и имел все материалы, на проведение такого количества анализов могло уйти две недели», — сказал Гудман. Команда описывает компоненты своей DIY-платформы и предлагает открытый исходный код в новой статье в журнале ПЛОС Биология.

Большая идея

Звучит просто, но разработка платформы была чем угодно, но только не для команды, в которую входили соисследователи Сын «Сью» И. Ри, директор Института устойчивости растений Мичиганского государственного университета (ранее Института науки Карнеги в Стэнфорде); и Томас Р. Кландинин, профессор нейробиологии в Стэнфорде. Трио и их лаборатории потратили более пяти лет на разработку, создание, тестирование и оценку своего подхода от начала до публикации.

Проект, получивший название «Инициатива нейро-растений», потребовал экспертов в области нейронаук, биологии животных и растений, лабораторных наук, машиностроения и компьютерных наук. Теперь команда надеется, что платформа станет повсеместной и приведет к быстрому открытию перспективных новых молекул для использования в медицинских, биологических, сельскохозяйственных и нейронаучных лабораториях, которые в настоящее время погрязли в кустарных методах.

«В сообществе, занимающемся исследованием нематод, насчитывается около 1200 лабораторий по всему миру», — отметил Гудман. По ее словам, платформа может оказаться полезной для открытия других видов химических веществ или определения того, какие виды бактерий привлекают или отпугивают нематод, поедающих бактерии.

Множество возможностей

Соавтор Сью Ри, профессор Фонда MSU на кафедрах биохимии и молекулярной биологии, биологии растений и растений, почвы и микробиологии, изучает, как растения производят бесчисленные соединения и используют их для общения со своей средой. Ри говорит, что из сотен тысяч соединений, которые производят растения, мы очень мало знаем о том, как они производятся или используются в природе.

«Устоявшаяся догма заключается в том, что они используются для защиты от вредителей или для привлечения опылителей, но лишь небольшое количество этих соединений имеет известную роль», — сказал Ри. «Я надеюсь, что благодаря этому гениальному высокопроизводительному анализу хемотаксиса мы сможем начать разгадывать эти химические тайны в больших масштабах».

Соавтор Томас Кландинин — нейробиолог, изучающий, как животные используют определенные сенсорные сигналы для выбора соответствующих поведенческих действий. Его лаборатория внесла свой вклад в разработку способа стабилизации червей, когда они подвешены в жидкости, что облегчило автоматизированные методы дозирования червей в масштабах, необходимых для отказа от кустарного метода.

«Разработка этого автоматизированного метода для изучения поведения хемотаксиса в больших масштабах откроет массу новых возможностей для изучения тесных связей между запахами и их рецепторами», — сказал Кландинин.

Следующие шаги

Затем Гудман надеется применить свое изобретение в своей собственной нейробиологической лаборатории, чтобы понять нервную и химическую основу способности нематод отличать хорошие молекулы от плохих. Она продолжает сотрудничество с исследователями из Гарвардского университета, чтобы использовать визуализацию кальция для регистрации активности всех обонятельных (или чувствительных к запаху) нейронов червя, когда он движется к молекуле или от нее. В этой работе Гудман планирует использовать свою аналитическую платформу для проведения поведенческих исследований в более широком масштабе, манипулируя отдельными нейронами в нервной системе червей и, в конечном итоге, сопоставляя соединения с рецепторами.

Гудман отмечает, что нюхающий тест нематод — это навык, которым обладают многие животные, включая человека. Она надеется применить эти знания в области нейробиологии к этому интригующему предмету, и она уверена, что эта новая платформа ускорит работу. По ее словам, как у червей, так и у людей, химические рецепторы обонятельной системы, связывающиеся с этими молекулами, удерживают одно и то же химическое вещество.

«Форма этих связывающих карманов должна быть одинаковой у обоих существ. Даже если они различны, будет полезно это знать», — сказал Гудман. «Это исследование меня очень волнует».