1.5.3. Локализация флуоресценции после фотоотбеливания (Fluorescence Localization After Photobleaching FLAP)
С помощью метода FLAP можно в реальном времени следить за перемещением флуоресцентно меченой молекулы в пространстве. Техника FLAP была разработана Graham Dunn в 2002 г. и состояла в том, что к молекулам интереса пришивали две различные флуоресцентные метки, одну из которых отбеливали, а с помощью второй следили за перемещением молекулы. Для реализации этого метода оба красителя должны визуализироваться одновременно и независимо, тогда FLAP сигнал получают путем вычитания отбеленного сигнала из неотбеленного для каждого пикселя.
1.5.4. Фёрстеровская (флуоресцентная) резонансная передача энергии (Fӧrster (Fluorescence) Resonance Energy Transfer FRET)
Фёрстеровская резонансная передача энергии, или иначе диполь-дипольный перенос энергии, это механизм переноса энергии между двумя молекулами (от донора к акцептору), который происходит без промежуточного испускания фотонов и является результатом диполь-дипольного взаимодействия между донором, находящимся в возбужденном состоянии, и акцептором. Характерная черта данного процесса тушение флуоресценции донора и возникновение более длинноволновой флуоресценции у акцептора, которая детектируется конфокальным микроскопом. При этом перенос возбуждения сопровождается уменьшением времени жизни и квантового выхода флуоресценции донора, для которого акцептор выступает в роли тушителя. Скорость переноса убывает как r 6, где r расстояние между донором и акцептором, что используется для измерения расстояния между двумя молекулами или между двумя метками в одной молекуле. Для характеристики этого явления вводится понятие фестеровского радиуса (RF) это эффективное расстояние, на котором скорость перехода составляет 50 % от максимума (для большинства систем его величина составляет 20 50 Å). Если расстояние между донором и акцептором превышает 10 нм, то диполь-дипольный перенос энергии не возможен. Помимо расстояния скорость переноса зависит от степени перекрывания спектров испускания донора и поглощения акцептора, от взаимной ориентации диполей донора и акцептора и от времени жизни возбужденного состояния донора в отсутствие акцептора. Константа скорости переноса энергии ket определяется выражением:
где τd время жизни возбужденного состояния донора в отсутствие акцептора.
Для реализации технологии FRET необходимо, чтобы:
1) донорный зонд обладал достаточным временем жизни для осуществления переноса энергии;
2) молекулы донора и акцептора располагались на расстоянии 1 10 нм друг от друга;
3) спектр поглощения флуорохрома акцептора накладывался на спектр испускания флуоресценции флуорохрома донора (примерно на 30 %);
4) для переноса энергии ориентации диполя донора и акцептора были примерно параллельны друг другу;
5) пары флуорохромов соответствовали имеющимся в конструкции микроскопа лазерам.
Наиболее часто используемые пары донор акцептор приведены в обзоре, расположенном на сайте http://www.mdpi.com/ 1420-3049/17/4/4047р. 4088.
Существуют несколько методов исследований FRET: фотоотбеливание акцептора/донора; метод спектральной конфокальной микроскопии в применении к FRET; микроскопия для исследования времени жизни флуоресценции (fluorescence lifetime imaging microscopy FLIM) и метод поляризации флуоресценции (Ishikawa-Ankerhold Н. С. [et al.], 2012). В зависимости от задачи данные модификации метода FRET позволяют следить за конформационными изменениями в белках, изучать кинетику ферментативных реакций, исследовать белок-белковые и другие взаимодействия. Например, по изменению FRET-сигнала между Gá иGâã субъединицами G-белка, слитыми с флуоресцирующими белками CFP и YFP, можно охарактеризовать динамические характеристики диссоциации G-белка в живых клетках; две субъединицы никотиновых ацетилхолиновых рецепторов á4 и â2, слитые с YFP и CFP, послужили основой для разработки клеточных систем, на основе которых с применением спектральной конфокальной микроскопии показана возможность измерять уровень á4â2-рецепторов и изучать процессы их сборки-диссоциации под воздействием различных стимулов. С помощью методики FLIM смогли в системе реального времени отслеживать уровень фосфорилированной формы эпидермального фактора роста (ЭФР), для чего к ЭФР пришили GFP, а к антителам, реагирующим с фосфоЭФР, Cy3 (Grigsby C. L. [et al.], 2012; Zeug A. [et al.], 2012).
Литература
Голышевская В. И., Егорова О. В., Севастьянова Э. В., Шульгина М. В. Люминесцентная микроскопия: учебное пособие для проведения курсов обучения: «Культуральные методы диагностики туберкулеза», «Выявление туберкулеза методом микроскопии». М.; Тверь: Триада, 2008. 36 с.
Лукашева Н. Н., Ткаченко С. Б., Потекаев Н. Н., Кузьмина Т. С., Василевская Е. А. Прижизненная отражательная конфокальная лазерная сканирующая микроскопия: история создания, принцип работы, возможности применения в дерматологии // Клиническая дерматология и венерология. 2008. 5. С. 10 15.
Манцызов Б. И. Когерентная и нелинейная оптика. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. 208 с.
Олейников В. А. Полупроводниковые флуоресцентные нанокристаллы (квантовые точки) в белковых биочипах // Биоорг. химия. 2011. 37 (2). С. 171 189.
Сайфитдинова А. Ф. Двумерная флуоресцентная микроскопия для анализа биологических образцов: учебно-методическое пособие. СПб.: СОЛО, 2008. 72 с.
Соболев А. С. Как измеряют подвижность макромолекул в живых клетках // Соросовский образовательный журнал. 2000. Т. 6. 4. С. 2 6.
Феофанов А. В. Спектральная лазерная сканирующая конфокальная микроскопия в биологических исследованиях // Успехи биологической химии. 2007. Т. 47. С. 371 410.
Фейнман Р. Фейнмановские лекции по физике :в9 т. 6-еизд. сущ. испр. М.: УРСС: Издательский дом «ЛИБРОКОМ», 2011. Т. 3: Излучение. Волны. Кванты. 264 с.
Штейн Г. И. Руководство по конфокальной микроскопии. СПб.: ИНЦ РАН, 2007. 77 с.
Dailey M. E., Manders E., Soll D., Terasaki M. Chapter 19 Confocal Microscopy of Live Cells In «Handbook of Biological Confocal Microscopy, 3rd Ed.». New York: Springer, 2006. Р. 381 404.
Grigsby C. L., Ho Y. P., LeongK. W. Understanding nonviral nucleic acid delivery with quantum dot-FRET nanosensors // Nanomedicine (Lond). 2012. Vol. 7 (4). P. 565 577.
Ishikawa-Ankerhold H. C., Ankerhold R., Drummen G. P. C. Advanced Fluorescence Microscopy Techniques FRAP, FLIP, FLAP, FRET and FLIM // Molecules. 2012. Vol. 17. Р. 4047 4132.
Nair B. J., Sivakumar T. T., Joseph A. P., Varun B. R., Mony V. Confocal microscopy // Health Sciences. 2012. 1(3): JS004A. Р. 1 6.
Tsien R. Y., Ernst L., Waggoner A. Fluorophores for Confocal Microscopy: Photophysics and Photochemistry In «Handbook of Biological Confocal Microscopy, 3rd Ed.». New York: Springer, 2006. Р. 338 352.
Zeug A., Woehler A., Neher E., Ponimaskin E. G. Quantitative intensity-based FRET approaches a comparative snapshot // Biophys. J. 2012. Vol. 103 (9). Р. 1821 1827.
Глава 2.
ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЕ КРАСИТЕЛИ И ДРУГИЕ ФЛУОРЕСЦИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
В современных морфологических исследованиях, в случае использования флуоресцентной микроскопии и конфокальной лазерной микроскопии, для окрашивания препаратов применяют различные флуоресцентные красители. При проведении иммуноцитохимических исследований связанные с клеточными и тканевыми антигенами антитела выявляются благодаря включению флуоресцентной метки. Флуоресцирующие вещества, используемые в качестве флуоресцентной метки, присоединенной к нефлуоресцирующим молекулам (нуклеотидам, пептидам, антителам), а также флуоресцентные красители принято называть флуорохромами. Флуоресцентные красители и другие флуорохромы способны расходовать часть энергии поглощенного излучения на флуоресценцию (излучение определенной длины волны) при возвращении из возбужденного состояния в стабильное. Каждый флуорохром обладает индивидуальным спектром излучения и поглощения, наиболее интенсивная флуоресценция наблюдается при облучении красителя светом с длиной волны, близкой к характерному для него максимуму поглощения.
Флуоресцентные красители применяются для выявления биологических макромолекул (белки, нуклеиновые кислоты) или определенных органелл клетки, таких как митохондрии, аппарат Гольджи, эндоплазматическая сеть, а также для выявления клеточного ядра. Для окраски живых объектов применяются такие красители, которые могут проникать в живые клетки, не вызывая их повреждения. Часть существующих красителей (не проникающих в живые клетки либо токсичных для них) используется только для окраски фиксированных биологических объектов. Другие флуоресцирующие вещества (флуоресцентные индикаторы) используются для мониторинга динамических процессов в живых клетках (определение концентрации неорганических ионов, рН, активных форм кислорода и мембранного потенциала). Флуоресцентные красители также широко применяются при определении целостности клеток, при изучении эндо- и экзоцитоза, текучести мембран, межклеточной коммуникации и ферментативной активности клеток. Флуорохромы, взаимодействующие с нуклеотидами, нашли широкое применение в области молекулярной генетики и при проведении цитогенетических исследований.
Флуоресцентные красители применяются для выявления биологических макромолекул (белки, нуклеиновые кислоты) или определенных органелл клетки, таких как митохондрии, аппарат Гольджи, эндоплазматическая сеть, а также для выявления клеточного ядра. Для окраски живых объектов применяются такие красители, которые могут проникать в живые клетки, не вызывая их повреждения. Часть существующих красителей (не проникающих в живые клетки либо токсичных для них) используется только для окраски фиксированных биологических объектов. Другие флуоресцирующие вещества (флуоресцентные индикаторы) используются для мониторинга динамических процессов в живых клетках (определение концентрации неорганических ионов, рН, активных форм кислорода и мембранного потенциала). Флуоресцентные красители также широко применяются при определении целостности клеток, при изучении эндо- и экзоцитоза, текучести мембран, межклеточной коммуникации и ферментативной активности клеток. Флуорохромы, взаимодействующие с нуклеотидами, нашли широкое применение в области молекулярной генетики и при проведении цитогенетических исследований.