한빛사논문
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Joonhee Choia,b,1, Hengyun Zhoua,1, Renate Landiga, Hai-Yin Wua, Xiaofei Yuc,d, Stephen E. Von Stetinae, Georg Kucskoa, Susan E. Mangoe , Daniel J. Needlemanb,e, Aravinthan D. T. Samuela,f , Peter C. Maurerd,2 , Hongkun Parka,g,2 , and Mikhail D. Lukina,2
aDepartment of Physics, Harvard University, Cambridge, MA 02138; bSchool of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, Cambridge, MA 02138; cDepartment of Physics, The University of Chicago, Chicago, IL 60637; dPritzker School of Molecular Engineering, The University of Chicago, Chicago, IL 60637; eDepartment of Molecular and Cellular Biology, Harvard University, Cambridge, MA 02138; fCenter for Brain Science, Harvard University, Cambridge, MA 02138; and gDepartment of Chemistry and Chemical Biology, Harvard University, Cambridge, MA 02138
1J.C. and H.Z. contributed equally to this work.y
2To whom correspondence may be addressed.
Abstract
Understanding the coordination of cell-division timing is one of the outstanding questions in the field of developmental biology. One active control parameter of the cell-cycle duration is temperature, as it can accelerate or decelerate the rate of biochemical reactions. However, controlled experiments at the cellular scale are challenging, due to the limited availability of biocompatible temperature sensors, as well as the lack of practical methods to systematically control local temperatures and cellular dynamics. Here, we demonstrate a method to probe and control the cell-division timing in Caenorhabditis elegans embryos using a combination of local laser heating and nanoscale thermometry. Local infrared laser illumination produces a temperature gradient across the embryo, which is precisely measured by in vivo nanoscale thermometry using quantum defects in nanodiamonds. These techniques enable selective, controlled acceleration of the cell divisions, even enabling an inversion of division order at the two-cell stage. Our data suggest that the cell-cycle timing asynchrony of the early embryonic development in C. elegans is determined independently by individual cells rather than via cell-to-cell communication. Our method can be used to control the development of multicellular organisms and to provide insights into the regulation of cell-division timings as a consequence of local perturbations.
quantum sensing, nanoscale thermometry, cell-division asymmetry, nitrogen-vacancy centers, cell-cycle control
논문정보
- Research article
- 2020년 06월 (BRIC 등록일 2020-06-18)
- 국외 연구진
- 바이오·의료융합 > 바이오센싱 및 나노바이오물질
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![생체 내 나노스케일 온도 센서와 레이저 가열을 활용한 초기 배자발생에 관한 연구 [Proc. Natl. Acad. Sci. USA]](/upload/board/files/onseminar/thumb/thumb_0000237.png)
학술웨비나
생체 내 나노스케일 온도 센서와 레이저 가열을 활용한 초기 배자발생에 관한 연구 [Proc. Natl. Acad. Sci. USA] 온도는 생체 내 대사과정에서 핵심적인 제어변수로 작용하지만, 세포 크기 수준의 미세 영역에서 온도를 측정하고 제어하는 것은 아직까지도 굉장히 어려운 도전적인 연구과제라고 할 수 있다. 본 발표에서는, 나노수준에서의 온도 정밀측정 기술과 레이저 가열 방법을 같이 이용하면 생물학 연구에 있어서 새로운 ‘툴’로써 유용하게 쓰일 수 있으며, 한 예로 배자(embryo) 의 세포 분열을 연구하는 데에 어떻게 활용될 수 있는지를 소개한다. 구체적으로는, 예쁜 꼬마선충(C. elegans)의 배자를 가지고 실험하였으며, 다이아몬드 분말 내부에 존재하는 질소-공동 색 결함 (nitrogen-vacancy color defects)이라고 불리는 나노스케일 온도센서를 이용하였다. 이러한 초미세 온도센서 수 천개는 생체 내에 비침습적으로 삽입되어 골고루 분배될 수 있으며, 광학적인 방법을 이용해 세포 내 온도 분포를 실시간으로 정밀하게 읽어낼 수가 있다. 이와 동시에 세포 내 특정 위치를 마이크로미터 이하의 공간정확도로 레이저 가열하는 것이 가능하며, 이렇게 국소적으로 배자세포 온도를 변화시키면서 일어나는 발달과정 변화를 실시간으로 관찰하였다. 놀랍게도, 세포주기 역위(inversion)와 같은 예상치 못한 다양한 현상들이 관찰되었으며, 이는 초기 배아발달과정에서 일어나는 타이밍제어 메카니즘에 관련한 새로운 시각 및 통찰을 제공한다.- 최준희(Caltech)
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