Studovat složité vnitrobuněčné procesy umožní nová metoda založená na analýze látek s nízkými koncentracemi, jejichž detekce v buňkách byla dosud mimo rozlišovací schopnosti laboratorních přístrojů.

Nový postup vyvinuli odborníci z Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci, Akademie věd ČR a Umeå Plant Science Center ve Švédsku. Vědci už tímto způsobem prokázali, že hormony nezbytné pro růst rostlin jsou distribuovány nerovnoměrně v různých vnitrobuněčných strukturách (organelách) rostlinné buňky.

I když byla nová metoda původně zacílena na rostliny, v budoucnu bude moci být aplikována i při výzkumu jiných organismů. Výsledky česko-švédské studie zaměřené na analýzu nízce koncentrovaných látek uvnitř rostlinných buněk byly publikovány v on-line verzi vědeckého časopisu The Plant Journal.

Týmy vědců z Česka a Švédska před časem upřely pozornost na rostlinné hormony. Jedná se totiž o klíčové růstové látky, které v rostlinách regulují důležité vývojové procesy, avšak jejich hladina v buňkách je velmi nízká, což ztěžuje jejich detekci.

Výzkumné skupiny Ondřeje Nováka a Karin Ljung sice již dříve analyzovaly rostlinné hormony na buněčné úrovni, ale narazily na možnosti dosud používaných analytických metod, jejichž rozlišení nebylo dostatečné pro měření rostlinných hormonů uvnitř buňky. Nová metoda detekce málo koncentrovaných látek nyní vědcům otevřela brány i k tomuto výzkumu.

„Bylo nesmírně důležité vyvinout tuto vysoce citlivou a robustní metodu, která bude efektivní z časového hlediska a umožní sledovat koncentrace rostlinných hormonů i dalších metabolitů v buňce samotné.“

„Takové mapování metabolitů s vysokým rozlišením v izolovaných buněčných organelách zlepší naše chápání metabolických a signalizačních procesů v buňce,“ komentoval výsledky výzkumu profesor Ondřej Novák, který vede Laboratoř růstových regulátorů, společné pracoviště Univerzity Palackého v Olomouci a Ústavu experimentální botaniky AV ČR.

Nová analytická metoda umožňující detekovat látky o velmi nízkých koncentracích uvnitř buněk potvrdila teorii vědců o nerovnoměrném přenosu rostlinných hormonů v buňkách rostlin.

„Na základě distribuce proteinů zodpovědných za transport rostlinných hormonů v buňkách a mezi nimi jsme předpokládali, že samotné hormony jsou také uvnitř buněk distribuovány nerovnoměrně. To však zůstávalo až dosud neprokázáno,“ říká profesorka Karin Ljung, vedoucí výzkumné skupiny působící v Umeå Plant Science Center.

Schéma distribuce dvou typů rostlinných hormonů (auxinu a cytokininů) uvnitř buňky

Vědci novou analytickou metodu pojmenovali zkráceně FAmOS, neboli třídění buněčných organel na základě jejich fluorescence (Fluorescence-Activated multi-Organelle Sorting). Organely jsou drobné mikroskopické útvary uvnitř buněk, které představují funkční obdobu orgánů živočichů.

Metoda je založena na označení čtyř různých organel v buňce odlišnými fluorofory – chemickými značkami, které vyzařují specifické barvy světla při osvícení laserovým paprskem. Každá buněčná organela dostala jinou značku a podle barvy, kterou příslušná značka vyzařovala, byla poté roztříděna.

„Tento přístup jsme zvolili, protože předchozí techniky frakcionace byly příliš časově náročné a postrádaly společné rysy. Při použití různých metod k izolaci například buněčného jádra a chloroplastu nebyly koncentrace rostlinných hormonů ve dvou odděleně izolovaných organelách navzájem srovnatelné,“ říká Ioanna Antoniadi, která pracuje ve skupině Karin Ljung.

Podle švédské vědkyně bylo velmi náročné najít správné podmínky pro udržení krátké doby třídění a zároveň zajištění stability rostlinných hormonů v získaných vzorcích.

Hlavní autoři práce Vladimír Skalický a Ioanna Antoniadi

Výzkumníci se také museli vypořádat právě s nízkou hladinou rostlinných hormonů v buňkách. „Po oddělení buněčných organel jsme měřili koncentraci rostlinných hormonů pomocí kapalinové chromatografie spojené s tandemovou hmotnostní spektrometrií,“ vysvětlil Vladimír Skalický, který novou metodu vyvinul v rámci své disertační práce ve skupině Ondřeje Nováka na Univerzitě Palackého v Olomouci.

„Byli jsme mnohokrát blízko detekčnímu limitu hmotnostní spektrometrie. Pro srovnání si lze představit rozpuštění jedné čajové lžičky rostlinného hormonu v bazénu olympijské velikosti a následné odebrání jedné kapky této směsi k analýze,“ dodal Vladimír Skalický.

Vědci věří, že jejich nová metoda má velký potenciál pro četné budoucí aplikace. Není omezena pouze na rostlinné buňky, ale může být aplikována i na buňky živočišné. Jakmile jsou buněčné organely roztříděny a odděleny, umožňuje totiž analyzovat i jiné látky o nízkých koncentracích než rostlinné hormony. Využití by tak mohla najít při měření dalších důležitých produktů metabolismu, proteinů i genové aktivity uvnitř buněk.

* * *

Citace článku:

Skalický V, Antoniadi I, Pěnčík A, Chamrád I, Lenobel R, Kubeš MF, Zatloukal M, Žukauskaitė A, Strnad M, Ljung K, Novák O (2023): Fluorescence-activated multi-organelle mapping of subcellular plant hormone distribution. The Plant Journal. https://doi.org/10.1111/tpj.16456

Text: Šárka Chovancová (Univerzita Palackého v Olomouci), editace pro web Jan Kolář (ÚEB)