В пределах данной ткани или органа клетки могут казаться очень похожими или даже идентичными. Но на молекулярном уровне эти клетки могут иметь небольшие различия, которые приводят к большим различиям в их функциях.
Алекс К. Шалек, адъюнкт-профессор химии Массачусетского технологического института, наслаждается задачей выявления этих небольших различий. В его лаборатории исследователи разрабатывают и внедряют такие технологии, как одноклеточное секвенирование РНК, которое позволяет им анализировать различия в паттернах экспрессии генов и позволяет им выяснить, как каждая клетка вносит свой вклад в функционирование ткани.
«Секвенирование одноклеточной РНК — невероятно мощный способ изучения того, что делают клетки в данный момент. Изучая ассоциации между различными мРНК, которые экспрессируют клетки, мы можем определить действительно важные особенности ткани — например, какие клетки присутствуют и что эти клетки пытаются сделать», — говорит Шалек, который также является основным сотрудником Института медицинской инженерии и науки Массачусетского технологического института и заочным членом Института интегративных исследований рака имени Коха, а также член Института Рагона MGH, Массачусетского технологического института и Гарварда и член института Брода Института Гарварда и Массачусетского технологического института.
Хотя его работа сосредоточена на выявлении мелкомасштабных различий, он надеется, что это будет иметь масштабные последствия, поскольку он стремится лучше понять глобально важные заболевания, такие как ВИЧ, туберкулез и рак.
«Многое из того, что мы делаем сейчас, — это глобальная совместная работа, которая действительно направлена на понимание клеточных и молекулярных основ заболеваний человека — партнерство с людьми в более чем 30 странах на шести континентах», — говорит он. «Я люблю фундаментальную работу и точность, возможную в модельных системах, но я всегда был очень мотивирован связать нашу науку со здоровьем человека и понять, что происходит при различных заболеваниях, чтобы мы могли разработать лучшие методы профилактики и лечения».
Изучение физического мира
Будучи студентом Колумбийского университета, Шалек сменил несколько специальностей, прежде чем остановиться на химической физике. Он начал заниматься физикой, потому что хотел понять фундаментальные законы того, как устроен физический мир. Однако, продвигаясь дальше, он понял, что большинство доступных исследовательских возможностей связаны с обнаружением частиц высокой энергии, что его не привлекало.
Затем он прослушал несколько курсов математики, но не почувствовал реальной связи с материалом, поэтому переключился на химию, где наткнулся на курс, который пришелся ему по душе: статистическая механика, которая предполагает использование статистических методов для описания поведения большого количества атомов или молекул.
«Мне это понравилось, потому что это помогло мне понять, как все эти правила, которые я изучил в физике о микроскопических частицах, на самом деле переводятся на макроскопические вещи в окружающем меня мире», — говорит Шалек.
Раздираемый сомнениями относительно того, чем он хотел бы заниматься после окончания колледжа, он решил поступить в аспирантуру. В Гарвардском университете, где он получил степень доктора философии по химической физике, он закончил тем, что работал с Хонгкун Паком, профессором химии и физики. Парк, который только что получил должность за свою работу по измерению оптических и электронных свойств отдельных молекул и наноматериалов, был в разгаре разработки новой программы для изучения мозга. В частности, он хотел найти способы проводить высокоточные электрические измерения сразу многих нейронов.
Будучи первым, кто присоединился к новой работе, Шалек обнаружил, что отвечает за выяснение того, как создавать вычислительные модели, изготавливать устройства, писать программное обеспечение для управления электроникой, анализировать данные и многое другое, чего он не знал, как делать, помимо изучения нейробиологии.
«Это было, мягко говоря, непросто. Я прошел ускоренный курс по тому, как делать кучу разных вещей», — вспоминает он. «Это был очень унизительный опыт, но я многому научился. Пробираясь в различные лаборатории по всему городу в Гарварде и Массачусетском технологическом институте, я смог быстрее разобраться во всем. Мне стало очень комфортно изучать новые предметы и решать сложные проблемы, опираясь на других и учась у них».
Его усилия привели к разработке нескольких новых технологий, в том числе массивов нанопроводов, которые можно было бы использовать для записи активности нейронов, а также для введения молекул в отдельные клетки, не причиняя им вреда, и для удаления части содержимого клеток. Это оказалось особенно полезным для изучения иммунных клеток, которые обычно сопротивляются другим методам доставки, таким как вирусы.
Индивидуальный подход
Работа Шалека в аспирантуре стимулировала его интерес к системной биологии, которая включает всестороннее измерение многих аспектов биологической системы с использованием геномики и других методов, затем построение моделей, учитывающих наблюдаемые измерения, и, наконец, тестирование моделей в живых клетках с использованием методов возмущения. Однако, к своему разочарованию, он часто обнаруживал, что, когда он пытался проверить предсказание модели, не все ячейки в системе показывали ожидаемый результат.
«Было много вариабельности», — говорит он. «Я видел бы различия в уровне мРНК, или в экспрессии или активности белков, или иногда все мои клетки не дифференцировались бы в одно и то же».
Он начал задаваться вопросом, не стоит ли попытаться изучить каждую отдельную клетку в рамках системы, вместо традиционного подхода к объединенному секвенированию их мРНК. Во время своей постдокторской работы он работал с Парком и Авивом Регевым, профессором биологии Массачусетского технологического института и членом Института Брода, над разработкой технологий секвенирования всех мРНК, обнаруженных в больших наборах отдельных клеток. Затем эта информация может быть использована для классификации клеток по различным типам и определения состояния, в котором они находятся в данный момент времени.
В своей лаборатории в Массачусетском технологическом институте Шалек теперь использует усовершенствования, которые он помог внести в этот подход, для анализа многих типов клеток и тканей и изучения того, как их идентичность формируется окружающей средой. Его недавняя работа включала исследования того, как состояние раковых клеток влияет на реакцию на химиотерапию, клеточные мишени вируса SARS-CoV-2, анализ типов клеток, участвующих в лактации, и идентификацию Т-клеток, инициированных для производства воспаления во время аллергических реакций.
Главной темой этой работы является то, как клетки поддерживают гомеостаз, или устойчивое состояние физических и химических условий внутри живых организмов.
«Мы знаем, насколько важен гомеостаз, потому что знаем, что дисбаланс может привести к аутоиммунным заболеваниям и иммунодефицитам или к росту раковых заболеваний», — говорит Шалек. «Мы хотим действительно определить на клеточном уровне, что такое баланс, как вы поддерживаете баланс и как различные факторы окружающей среды, такие как воздействие различных инфекций или диеты, изменяют этот баланс?»
Шалек говорит, что он ценит множество возможностей, которые у него есть для работы с другими исследователями из Массачусетского технологического института и Бостона, в дополнение к его многочисленным международным коллегам. Поскольку его лаборатория работает над проблемами болезней человека, он заботится о том, чтобы помочь воспитать следующее поколение ученых, точно так же, как он смог пройти обучение и наставничество в качестве аспиранта и постдока.
«Если вы объедините коллективный мозговой трест этого сообщества, а также станете партнером людей по всему миру, вы сможете делать невероятные вещи», — говорит Шалек. «Мой опыт научил меня важности поддержки и расширения прав и возможностей ученых, а также попыток поднять сообщество, на чем я во многом сосредоточился. Я признаю, что во многом мой успех зависел от того, что люди открывали свои лаборатории, уделяли мне время и поддерживали меня, и поэтому я старался платить за это вперед «.