Fluorescenční mikroskopie
1. Fluorescenční mikroskopie
Fluorescence
Fluorescence vzniká, když molekula po excitaci zářením (ve formě fotonu) o vhodné vlnové délce vyzáří nižší energii (fluorescence) při návratu do základního stavu (tzn. vyzářené světlo má delší vlnovou délku než excitační záření).
Díky tomu, že excitační a fluorescenční záření mají rozdílnou energii a tak se dají od sebe snadno odlišit a oddělit.
Fluorescenční mikroskop
Pomocí f. mikroskopů pozorujeme rozložení fluorescenčního signálu ve fluorescenčně obarvených mikroobjektech.
Dva základní typy fluorescenčních mikroskopů:
mikroskopie širokého pole, kdy ozařujeme najednou celý vzorek a snímáme fluorescenční signál z celé ozářené plochy.
skenovací konfokální mikroskopie, při které projíždíme vzorek bod po bodu s vysoce zaostřeným laserovým paprskem, měříme fluorescenční signál v každém bodě a výsledný obrázek vzniká zobrazením různé síly fluorescence pro jednotlivé body.
Transmisní fluorescenční mikroskop
U tohoto mikroskopu prochází světlo excitačním filtrem a na preparát přichází zespodu. Pro osvětlení preparátu se však používá zástinový kondenzor, který odráží světlo tak, že na preparát dopadá boční světlo a do objektivu se tak dostane uvolněná fluorescence.
Procházející excitační světlo tak letí mimo objektiv.
Epifluorescenční mikroskop
U tohoto typu mikroskopu prochází excitační světlo objektivem, dopadá na preparát svrchu a uvolněné fluorescenční záření se vrací zpět do objektivu.
Je zřejmé, že u tohoto mikroskopu je potřeba použít zvláštní typ zrcadla, které odráží excitační světlo do objektivu a propouští emisní světlo do okuláru.
Používá se dichroické zrcadlo, které maximum excitačního světla odráží a maximum emisního světa propouští.
Konfokální mikroskop
Konfokální mikroskop umožňuje odstranit z obrazu objektu šum, který vytváří fluorescence vyzářená z těch rovin vzorku, na které není zaostřena optika.
Zdrojem světla je zpravidla laser, světlo prochází úzkou štěrbinou a je zaostřeno do jednoho bodu vzorku.
Fluorescence z ozářeného bodu je pak snímána detektorem. Na detektor dopadá pouze fluorescence ze zaostřených ozářených bodů.
Signál z detektoru je odeslán do počítače, který zároveň dostává informaci o souřadnicích snímaného bodu.
Tímto způsobem je bod po bodu prozářen celý objekt v různých optických rovinách, což je automatizováno a ovládáno řídícím počítačem.
Vlastní fluorescence buněk
Buněčné složky viditelné ve fluorescenčním mikroskopu:
proteiny – fluorescence v ultrafialové oblasti
redukované formy NADH (nikotinamidadenindinukleotidu), NADPH, oxidované formy flavoproteinů, vitamin A – fluorescence ve viditelné oblasti (modrá až žlutá)
cytochromy, peroxidáza, hemoglobin, myoglobin, chlorofyl – fluorescence ve viditelné oblasti (červená) .
Proteinové fluorofory
Většina organických molekul nefluoreskuje.
Intenzivní fluorescenci vykazují některé aromatické sloučeniny (polyaromatické uhlovodíky nebo heterocykly) nazývané fluorofory nebo fluorescenční barviva.
Proteiny obsahující aromatické aminokyseliny tryptofan (Try), tyrozin (Tyr) a fenylalanin (Phe).
Jejich absorpční pás leží mezi 240 a 300 nm.
Fykobiliproteiny a fytofluory
Fykobiliproteiny - ze sinic a modro-zelených a červených řas, které absorbují od 470 do 650 nm (tj. v oblasti, kde neabsorbuje chlorofyl).
Fytofluory - fluorescenční sondy odvozené od fytochromů (proteinů citlivých na světlo, které jsou přítomny ve fotosyntetizujících organismech).
Imunofluorescence
Imunofluorescence je technika používaná pro světelnou mikroskopii s fluorescenčním mikroskopem a používá se především na mikrobiologických vzorcích. Imunofluorescence je široce používaným příkladem imunoznačení (použití protilátek k barvení proteinů) a je konkrétním příkladem imunohistochemie (použití vztahu protilátka-antigen v tkáních).
Imunofluorescence může být použita na tkáňových řezech, kultivovaných buněčných liniích nebo jednotlivých buňkách a může být použita k analýze distribuce proteinů , glykanů a malých biologických a nebiologických molekul.
Imunofluorescence může být použita v kombinaci s jinými metodami fluorescenčního barvení bez protilátek, například s použitím DAPI ke značení DNA.
V nějakém zvířeti, (např. králík, koza, myš, atd) musí být proti izolovanému proteinu, který nás zajímá vytvořena protilátka, kterou je nutno získat a vyčistit. Pokud možno je vhodné ji sfůzovat s tumorovými buňkami a získat "nesmrtelnou" linii buněk, které produkují požadovanou protilátku.
K výrobě protilátek značených fluorochromem musí být fluorochrom konjugován („označen“) s protilátkou. Podobně může být antigen také konjugován s protilátkou pomocí fluorescenční sondy technikou nazývanou technika fluorescenčního antigenu.
Existují
dvě třídy imunofluorescenčních technik, využívající primární
protilátku, nebo sekundární protilátku.
1)Primární
protilátka rozpoznává cílovou molekulu (antigen) a váže se na
specifickou oblast zvanou epitop. Připojený fluorofor lze detekovat
pomocí fluorescenční mikroskopie, která v závislosti na použitém
poslu emituje po excitaci specifickou vlnovou délku světla. Přímá
imunofluorescence, i když poněkud méně častá, má oproti
sekundárnímu (nepřímému) postupu významné výhody. Přímé
připojení posla k protilátce snižuje počet kroků v postupu,
šetří čas a snižuje nespecifický signál pozadí. To také
omezuje možnost zkřížené reaktivity protilátky a možných chyb
v průběhu celého procesu. V této metodě však existují
určité nevýhody. Protože počet fluorescenčních molekul,
které se mohou vázat na primární protilátku, je omezený, přímá
imunofluorescence je podstatně méně citlivá než nepřímá
imunofluorescence a může vést k falešným negativům. Přímá
imunofluorescence také vyžaduje použití mnohem primárnější
protilátky, která je extrémně drahá a někdy dosahuje až 400,00
USD / ml.
Fluorescenční
značení aktinu v hladkém
svalu
Sekundární
(nepřímá) imunofluorescence používá dvě protilátky; neznačená
první (primární) protilátka se specificky váže na cílovou
molekulu a sekundární protilátka, která nese fluorofor,
rozpoznává primární protilátku a váže se na ni. Několik
sekundárních protilátek se může vázat na jednu primární
protilátku. To zajišťuje zesílení signálu zvýšením
počtu molekul fluoroforů na antigen.Tento protokol je složitější
a časově náročnější než primární (nebo přímý) protokol
výše, ale umožňuje větší flexibilitu, protože pro danou
primární protilátku lze použít řadu různých sekundárních
protilátek a detekčních technik.
Různé
primární protilátky s různými konstantními oblastmi jsou
obvykle generovány vytvářením protilátky u různých
druhů. Například lze vytvořit primární protilátky v koze,
které rozpoznávají několik antigenů, a pak použít králičí
sekundární protilátky vázané na barvivo, které rozpoznávají
konstantní oblast kozí protilátky („králičí anti-kozí“
protilátky). Je možné vytvořit druhou sadu primárních
protilátek u myši, kterou lze rozpoznat samostatnou sekundární
protilátkou „anti-myší“. To umožňuje opětovné použití
obtížně vyrobitelných protilátek vázaných na barvivo ve více
experimentech.
Imunofluorescence je omezena pouze na fixní (tj. mrtvé) buňky, když mají být struktury uvnitř buňky vizualizovány, protože protilátky nepronikají buněčnou membránou při reakci s fluorescenčními značkami. Antigenní materiál musí být pevně fixován na místě jeho přirozené lokalizace uvnitř buňky. Intaktní protilátky mohou být také příliš velké na barvení rakovinných buněk in vivo . Jejich velikost vede k pomalé penetraci tumoru a dlouhému poločasu v oběhu.
Zelený fluorescenční protein ( GFP )
Zelený fluorescenční protein ( GFP ) je protein, který vykazuje jasně zeleně fluoreskuje, když je vystaven světlu v modré do ultrafialové oblasti. Označení GFP tradičně označuje protein původně izolovaný z medúzy Aequorea victoria. V buněčné a molekulární biologii se gen GFP často používá jako reportér (značení) exprese. Používá se v modifikovaných formách k výrobě biosenzorů a byla vytvořena řada zvířat, která exprimují GFP, jedná se o koncepci, která umožňuje, že gen lze podle potřeby exprimovat v celém daném organismu, ve vybraných orgánech nebo v buňkách, které nás zajímají.
U A.
victoria dochází
k fluorescenci GFP, když aequorin interaguje
s ionty Ca 2+ a
indukuje modrou záři. Část této luminiscenční energie se
přenáší do GFP, čímž se celková barva posune směrem k
zelené. Jeho užitečnost jako nástroje pro molekulární
biologové se však začala realizovat až v roce 1992Douglas
Prasher uvedl
klonování a nukleotidovou sekvenci wtGFP v genu .Financování
tohoto projektu skončilo, proto Prasher poslal vzorky cDNA do
několika laboratoří. Laboratoř Martina
Chalfieho exprimovala
kódující sekvenci wtGFP s odstraněnými několika prvními
aminokyselinami v heterologních buňkách E.
coli a C.
elegans a
výsledky publikovala v časopise Science v
roce 1994. Laboratoř Fredericka Tsuji nezávisle uvedla expresi o
měsíc později. Je pozoruhodné, že molekula GFP se
složila a byla fluorescenční při pokojové teplotě, aniž by
bylo potřeba exogenních kofaktorů specifických pro medúzy. Ačkoli
tento téměř wtGFP byl fluorescenční, měl několik nevýhod,
včetně dvojitých špičkových excitačních spekter, citlivosti
na pH, citlivosti na chloridy, špatného kvantového výtěžku
fluorescence, špatné fotostability a špatného skládání při 37
°C.
Rozmanitost
genetických mutací ilustruje tato plážová scéna v San Diegu
nakreslená živými bakteriemi exprimujícími 8 různých barev
fluorescenčních proteinů (odvozených od GFP a dsRed).
Superfolder
GFP ( sfGFP ), je řada mutací, které umožňují GFP rychle se skládat a zrát, i
když jsou fúzovány se špatně se skládajícími peptidy, - objev v roce 2006. Bylo
provedeno mnoho dalších mutací, včetně barevných
mutantů; zejména modrý
fluorescenční protein (EBFP,
EBFP2, Azurite, mKalama1), azurový
fluorescenční protein (ECFP,
Cerulean, CyPet, mTurquoise2) a žluté
fluorescenční proteinové deriváty
(YFP, Citrin, Venus, YPet). Byl vyvinut zelený
fluorescenční proteinový mutant ( BFPms1 ),
který přednostně
váže Zn (II) a Cu (II)FPms1.
Vazba Zn (II) zvyšuje intenzitu fluorescence, zatímco vazba Cu (II)
potlačuje fluorescenci a posouvá maximum absorbance z 379 na 444
nm. Proto je lze použít jako biosenzor Zn.
Varianty GFP a DsRed
fluorescenční chromofor
Zelený fluorescenční protein lze využít jako reportérový gen
Například GFP lze použít jako reportér úrovní toxicity pro životní prostředí. Ukázalo se, že tento protein je účinným způsobem měření úrovní toxicity různých chemikálií, včetně ethanolu, str-formaldehyd, fenol, triklosan a paraben. GFP je skvělý jako reportérový protein, protože nemá žádný účinek na hostitele, když je zaveden do buněčného prostředí hostitele. Díky této schopnosti není potřeba žádné externí vizualizační barvivo, ATP nebo kofaktory. Pokud jde o úrovně znečišťujících látek, byla měřena fluorescence, aby se změřil účinek, který mají znečišťující látky na hostitelskou buňku. Byla také měřena buněčná hustota hostitelské buňky. Výsledky studie - Song, Kim a Seo (2016) ukázaly, že když se zvyšovaly hladiny znečišťujících látek došlo ke snížení jak fluorescence, tak buněčné hustoty. To svědčí o skutečnosti, že buněčná aktivita poklesla.
Zatímco
většina malých fluorescenčních molekul, jako
je FITC (fluorescein
isothiokyanát), je při použití v živých
buňkách silně fototoxická ,
fluorescenční proteiny, jako je GFP, jsou při osvětlení v živých
buňkách obvykle mnohem méně škodlivé. To vyvolalo vývoj
vysoce automatizovaných systémů fluorescenční mikroskopie živých
buněk, které lze použít k pozorování buněk v čase
exprimujících jeden nebo více proteinů označených
fluorescenčními proteiny. Existuje
mnoho technik, jak využít GFP v experimentu se zobrazováním
živých buněk. Nejznámějším způsobem jak využít GFP je
jeho přímé připojení k požadovanému proteinu. Například
GFP může být součástí plazmidu exprimujícího jiné geny, které indikují úspěšnou transfekci požadovaného genu. Další
metodou je použití GFP, který obsahuje mutaci, kde se fluorescence
v průběhu času změní ze zelené na žlutou, což se označuje
jako fluorescenční časovač. Pomocí fluorescenčního
časovače lze
studovat
stav produkce proteinu, jako je nedávno aktivovaný, nepřetržitě
aktivovaný nebo nedávno deaktivovaný na základě barvy vytvářené fluorescenčním proteinem.Fluorescenční
mikroskopie
Například
GFP byl široce používán při označování spermií různých
organismů pro účely identifikace jako v Drosophila
melanogaster ,
kde může být exprese GFP použita jako marker pro konkrétní
charakteristiku. GFP lze také exprimovat v různých
strukturách umožňujících morfologické rozlišení. V
takových případech je gen pro produkci GFP začleněn do genomu
organismu v oblasti DNA, která kóduje cílové proteiny a která je
řízena stejnou regulační
sekvencí; to
znamená, že regulační sekvence genu nyní kromě značeného
proteinu (proteinů) řídí produkci GFP. V buňkách, kde je
gen exprimován a jsou vytvářeny značené proteiny, je současně
produkován GFP. Takže pouze ty buňky, ve kterých je
exprimován značený gen, nebo jsou produkovány cílové proteiny,
budou fluoreskovat, pokud jsou pozorovány fluorescenční
mikroskopií. Analýza takových časosběrných filmů
předefinovala chápání mnoha biologických procesů, včetně
skládání proteinů, transportu proteinů a dynamiky RNA, které
byly v minulosti studovány pomocí fixovaného
(tj. mrtvého)
materiálu. Získaná data se také používají ke kalibraci
matematických modelů intracelulárních systémů a k odhadu
rychlosti genové exprese. Podobně
lze GFP použít jako indikátor exprese proteinu v heterologních
systémech. V tomto případě jsou fúzní proteiny obsahující
GFP zavedeny nepřímo, s použitím RNA konstruktu, nebo přímo se
samotným označeným proteinem. Tato metoda je užitečná pro
studium strukturních a funkčních charakteristik značeného
proteinu v makromolekulárním nebo jednokomolekulárním měřítku
pomocí fluorescenční mikroskopie.
Dalším využitím GFP je exprese proteinu v malých sadách
specifických buněk. To umožňuje opticky detekovat
specifické typy buněk in
vitro (ve
zkumavce)
nebo dokonce in
vivo (v
živém organismu). Genetické kombinování několika
spektrálních variant GFP je užitečným trikem pro analýzu
fungování
mozku ( Brainbow ). Další
zajímavá použití fluorescenčních proteinů v zahrnuje použití FP jako senzorů potenciálu neuronových membrán, sledování AMPA receptorů
na buněčných membránách, vstup
viru a
infekce chřipkovými viry
a lentiviry, (jedná
se o jeden
ze sedmi rodů čeledi Retroviridae, což jsou
lidské a zvířecí patogeny, o nichž je známo, že mají dlouhou
inkubační dobu a přetrvávající infekci).
Ukázalo
se, že GFP je užitečný v kryobiologii jako test životaschopnosti . Korelace
životaschopnosti měřená zkouškami trypanovou
modří byla
0,97. Další aplikací je použití kotransfekce GFP jako
vnitřní kontroly účinnosti transfekce (vnášení
DNA do buněk)
v
savčích buňkách.
Nové
možné použití GFP zahrnují
jeho použití jako citlivého monitoru intracelulárních procesů
prostřednictvím laserového systému eGFP vyrobeného z embryonální
lidské buněčné linie ledviny. První vytvořený živý
laser byl
vyroben
buňkou exprimující eGFP uvnitř reflexní optické dutiny při
dopadech pulzů
modrého světla. Při určité prahové hodnotě pulsu se
optický výstup eGFP stává jasnějším a je
zcela
rovnoměrně zbarven čistě zelenou barvou s vlnovou délkou 516 nm.
GFP
se široce používá ve výzkumu rakoviny k označování a
sledování rakovinných buněk. Pomocí
GFP
značené rakovinné buňky byly použity k modelování metastáz,
procesu, kterým se rakovinné buňky šíří do vzdálených
orgánů.
Myši
exprimující GFP pod UV světlem (vlevo a vpravo), ve srovnání s
normální myší (uprostřed) Pomocí GFP byl vytvořen Alba ,
zeleně fluoreskující králík, ve francouzské laboratoři vedené Eduardem
Kacem pro umělecké účely. Americká
společnost Yorktown Technologies prodává akvarijním obchodům
zelenš fluoreskující rybičky zebrafish ( GloFish ), kmen rybek, který byl původně vyvinut pro detekci znečištění vod. NeonPets, společnost se sídlem v USA, prodala zelené
fluorescenční myši jako mazlíčky. Zelená
fluorescentní prasata, známá jako Noels, byla vytvořena skupinou vedenou Wu Shinn-Chihem na katedře vědy a technologie
zvířat na Tchaj-wanské
univerzitě . Japonsko-americký
tým vytvořil zeleně fluoreskující kočky, aby je mohl potenciálně použít jako modelové
organismy pro nemoci, zejména HIV .