Um desafio particularmente grande é observar simultaneamente todas as moléculas em uma amostra de tecido intacta, até mesmo células individuais. Determinar a localização de centenas ou milhares de biomoléculas – de lipídios a metabólitos e proteínas – em seu ambiente natural permite que os pesquisadores entendam melhor suas funções e interações. Infelizmente, os cientistas não têm as ferramentas adequadas para realizar essa tarefa.
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Zhang e Ding et al.
Técnicas de imagem, incluindo a maioria dos métodos de microscopia, permitem a visualização de moléculas dentro das células. No entanto, elas só conseguem capturar um punhado selecionado de moléculas por vez e não conseguem detectar todos os tipos de biomoléculas, incluindo alguns lipídios. Outros métodos, como a espectrometria de massa convencional, podem detectar centenas de moléculas, mas não funcionam em amostras intactas, impedindo que os pesquisadores vejam o alinhamento das biomoléculas.
Uma técnica promissora – a espectrometria de massa – supera alguns desses desafios. Ela permite que os pesquisadores detectem centenas de moléculas simultaneamente em tecidos intactos. No entanto, a resolução não é alta o suficiente para permitir a detecção em nível de célula única.
Foi exatamente esse o problema que Meng Wang, líder sênior do grupo de Janelia, enfrentou. Wang e sua equipe pesquisam os mecanismos fundamentais do envelhecimento e da longevidade. Eles queriam detectar muitas biomoléculas diferentes em tecidos intactos para entender como os componentes mudam à medida que o tecido envelhece.
“Para qualquer tipo de questão biológica, é muito importante saber quais moléculas estão em cada local específico e o que está nas células vizinhas”, diz Wang.
Felizmente, o laboratório de Wang fica a apenas um corredor de distância do laboratório de Paul Tillberg, cientista sênior de Janelia. Tillberg foi co-inventor de uma técnica chamada microscopia de expansão enquanto fazia seu doutorado no MIT. Nessa abordagem, um material de hidrogel expansível é usado para expandir uniformemente as amostras em todas as direções até que detalhes finos, como a estrutura de suborganelas, possam ser vistos com um microscópio convencional.
A abordagem de expansão agora tem dez anos e é usada fora da microscopia tradicional. Wang, Tillberg e seus colegas da Janelia University e da University of Wisconsin-Madison queriam ver se o problema da resolução espacial na espectrometria de massa poderia ser resolvido usando expansão.
Das Ergebnis ist eine neue Methode, die Gewebeproben schrittweise expandiert, ohne sie auf molekularer Ebene zu zersetzen, wie es beim ursprünglichen Expansionsprozess der Fall ist. Durch die Expansion der intakten Proben in alle Richtungen können Forscher mithilfe der Massenspektrometrie Hunderte von Molekülen gleichzeitig auf Einzelzellebene an ihren natürlichen Standorten erfassen.
„Dadurch ist ein ungezielter Blick in den Molekülraum möglich und wir versuchen, die räumliche Auflösung an die Möglichkeiten der Mikroskopie anzunähern“, sagt Tillberg.
Das Team nutzte die neue Technik, um die spezifischen räumlichen Muster kleiner Moleküle in verschiedenen Schichten des Kleinhirns abzugrenzen. Sie stellten fest, dass diese Moleküle – darunter Lipide, Peptide, Proteine, Metaboliten und Glykane – nicht wie bisher angenommen gleichmäßig verteilt sind. Darüber hinaus stellten sie fest, dass jede einzelne Schicht des Kleinhirns ihre eigene Signatur aus Lipiden, Metaboliten und Proteinen aufweist.
Das Team konnte außerdem Biomoleküle in Nieren-, Bauchspeicheldrüsen- und Tumorgewebe nachweisen und damit zeigen, dass die Methode für viele verschiedene Gewebetypen adaptierbar ist. In Tumorgewebe konnten sie große Variationen der Biomoleküle visualisieren, was zum Verständnis der molekularen Mechanismen von Tumoren beitragen und möglicherweise die Medikamentenentwicklung unterstützen könnte.
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