07:00 
Когда живые клетки растут, делятся или реагируют на лекарства, они выделяют небольшое количество тепла, которое дает информацию о том, что делают клетки. Но поскольку эти тепловые сигналы настолько малы, их традиционно невозможно измерить напрямую.
Исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработали калориметр — устройство, измеряющее теплообмен между живой системой и окружающей средой, — который может обнаруживать метаболические тепловые сигналы мощностью порядка 100 пиковатт или триллионных долей ватта в живых клетках. Это устройство является самым чувствительным из всех сопоставимых биокалориметров на сегодняшний день. Новый «пикокалориметр» может отслеживать метаболизм небольших популяций бактерий в режиме реального времени, а также следить за тем, как изменяется рост бактерий в ответ на различные антибиотики.
Работа выполнена в лаборатории Йоста Власака, профессора инженерии материалов Эбботта и Джеймса Лоуренса, и была выполнена сотрудником Гарварда Хуанхуаном Чжэном, бывшим научным сотрудником лаборатории Власака. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Непосредственное измерение тепла, выделяемого клетками
Биологи часто могут измерить клеточный метаболизм только с помощью непрямой калориметрии, например, путем измерения потребления кислорода или химических побочных продуктов. Напротив, устройство SEAS само измеряет тепло.
Тепло является прямым показателем клеточного метаболизма. Пока клетки занимаются своими делами, мы видим очень хороший экспоненциальный рост, в зависимости от среды».
Джост Власак, Гарвардская школа инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона
Датчик состоит из трех микроскопических стеклянных капилляров, установленных на чрезвычайно тонкой микромеханической мембране. Один капилляр содержит биологический образец в жидкой питательной среде, а два других служат эталонами. По мере того, как клетки в образце растут и потребляют питательные вещества, они выделяют питательные вещества. Находящаяся рядом термобатарея или преобразователь тепла в электричество считывает разницу температур, создавая минимальную разницу температур.
Капилляры и датчики размещены внутри вакуумной камеры, чтобы обеспечить их термическую изоляцию. Такая конструкция повышает чувствительность на порядок по сравнению с предыдущими поколениями пикокалориметров, разработанных Власаком и его коллегами. Новая вакуумная микрофлюидная конструкция делает новые датчики более простыми в эксплуатации и более надежными.
Демонстрация роста бактерий
Чтобы продемонстрировать полезность устройства, команда использовала пикокалориметр для отслеживания роста бактерий E. coli, начиная с 30-40 отдельных бактерий.
Они также продемонстрировали потенциал своего устройства в качестве зонда устойчивости к антибиотикам, исследуя изменения калориметрического сигнала. происходят, когда антибиотики добавляются к образцу бактерий. В статье они сообщают об измерениях роста кишечной палочки в присутствии трех препаратов с разными механизмами действия: хлорамфеникола, рифампицина и ампициллина.
Сравнивая тепловые следы с антибиотиками и без них в различных концентрациях, команда показала, как препараты изменяют метаболическую активность. Поскольку все измерения являются прямыми, они могут обнаружить изменения задолго до того, как стандартные методы, основанные на культурах. По словам Власака, пикокалориметр может, в принципе, отслеживать метаболическую активность и реакцию на лекарства столь же небольших популяций бактерий всего за несколько часов, вместо того, чтобы ждать несколько дней, пока образуются большие колонии.
«Самое интересное — это то, как люди из самых разных исследовательских лабораторий спрашивают о нашем устройстве», — сказал Чжэн. «Очень сложно измерить динамическую информацию небольших живых систем. С помощью этой платформы мы можем начать отслеживать жизнеспособность клеток, скорость роста, пролиферацию и реакцию на лекарства в режиме реального времени. В более широком смысле, оно дает нам раннюю функциональную информацию о том, что делает биологическая система — растет ли она, подвергается стрессу, реагирует на лечение или меняет свое метаболическое состояние».
Два десятилетия исследований в области пикокалориметрии
Новое устройство основано примерно на двух десятилетиях работы в области микро- и пикокалориметрии в группе Власака. После прихода в лабораторию в 2016 году Чжэн первоначально разработал нанокалориметрические системы для изучения фазовых превращений в тонкопленочных сплавах с памятью формы и металлических стеклах. Со временем она начала работать над методами сверхчувствительной калориметрии для биологических применений, включая измерение метаболического тепла в крупных клетках и развивающихся эмбрионах.
