[논문 리뷰] Quantum monitoring the metabolism of individual yeast mutant strain cells when aged, stressed or treated with antioxidant

Aryan Morita, Citra Nusantara외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 31.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 54인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 나노다이아몬드 내 질소빈자(NV) 중심을 이용한 양자 다이아몬드 자장 측정법을 도입하여 개별 생존 중인 효모 세포에서 자유 라디칼을 세포 내부 해상도 이하로 감지한다. 이 기술은 노화, 스트레스 및 항산화제 치료 중 대사 변화를 실시간으로 모니터링할 수 있게 하며, 수명이 긴 tor1Δ 및 pex19Δ 돌연변이체에서 자유 라디칼 농도가 감소한 것을 밝혀내어 이들의 수명 연장 메커니즘을 설명할 수 있을 것으로 보인다.

ABSTRACT

Free radicals play a key role in the ageing process. The strongly debated free radical theory of ageing even states that damage caused by free radicals is the main cause of aging on a cellular level. However, free radicals are small, reactive and short lived and thus challenging to measure. We utilize a new technique called diamond magnetometry for this purpose. We make use of nitrogen vacancy centers in nanodiamonds. Via a quantum effect these defects convert a magnetic resonance signal into an optical signal. While this method is increasingly popular for its unprecedented sensitivity in physics, we use this technique here for the first time to measure free radicals in living cells. Our signals are equivalent to T1 signals in conventional MRI but from nanoscale voxels from single cells with sub-cellular resolution. With this powerful tool we are able to follow free radical generation after chemically inducing stress. In addition, we can observe free radical reduction in presence of an antioxidant. We were able to clearly differentiate between mutant strains with altered metabolism. Finally, the excellent stability of our diamond particles allowed us to follow the ageing process and differentiate between young and old cells. We could confirm the expected increase of free radical load in old wild type and sod1Δ mutants. We further applied this new technique to investigate tor1Δ and pex19Δ cells. For these mutants an increased lifespan has been reported but the exact mechanism is unclear. We find a decreased free radical load in, which might offer an explanation for the increased lifespan in these cells.

연구 동기 및 목표

• 새로운 매우 민감한 측정 방법을 사용하여 자유 라디칼이 세포 노화에 미치는 역할을 조사하기 위해.
• 생활 세포 내에서 짧은 수명을 가지며 반응성이 높은 자유 라디칼을 세포 내부 해상도로 측정하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 노화 표현형이 변화된 돌연변이 효모 주형 간 대사 반응을 구분하기 위해.
• 항산화제가 개별 세포 내 자유 라디칼 동역학에 미치는 영향을 시간에 따라 평가하기 위해.
• tor1Δ 및 pex19Δ 효모 돌연변이체에서 수명 연장의 대사 기반을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 자기공명 신호를 광신호로 변환하는 양자 센서로 나노다이아몬드 내 질소빈자(NV) 중심을 사용하기 위해.
• NV 중심의 발광을 감지하기 위해 공형 초점 현미경 장치를 사용하여 자유 라디칼 내 불완전 전자의 국소 자기장에 대한 정보를 제공하기 위해.
• 자유 라디칼 생성에 대한 반응으로 NV 중심의 스핀 상태 변화를 측정하여 생활 세포 내 나노스케일에서 감지할 수 있도록 하기 위해.
• 노화, 화학적 스트레스 유도, 항산화제 노출 중 자유 라디칼 동역학을 추적하기 위해 시간 간격 측정을 수행하기 위해.
• 자유 라디칼 농도의 차이를 평가하기 위해 돌연변이 효모 주형(sod1Δ, tor1Δ, pex19Δ)과 볼드형 세포 간 신호 강도를 비교하기 위해.
• 나노다이아몬드의 높은 안정성을 활용하여 수일에 걸쳐 개별 세포의 종단적 모니터링을 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 노화, 스트레스 및 항산화제 치료 중 개별 효모 세포에서 자유 라디칼 생성은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 양자 다이아몬드 자장 측정법은 돌연변이 효모 주형에서 세포 내부 대사 이질성을 감지할 수 있는가?
• RQ3 tor1Δ 및 pex19Δ 효모 돌연변이체에서 자유 라디칼 농도와 수명 연장 간의 관계는 무엇인가?
• RQ4 산화 스트레스 측면에서 sod1Δ 돌연변이체의 대사 프로파일은 볼드형 및 다른 수명이 긴 돌연변이체와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이 기술은 생활 세포 내 자유 라디칼 농도의 동적 변화를 고시간 해상도 및 고공간 해상도로 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 연구는 나노다이아몬드 내 질소빈자 중심을 사용하여 개별 효모 세포에서 세포 내부 해상도 이하로 자유 라디칼 생성을 성공적으로 감지하였다.
• 노화한 볼드형 및 sod1Δ 돌연변이체 세포는 자유 라디칼 농도가 유의미하게 증가하여 자유 라디칼 이론의 노화에 대한 예측을 확인하였다.
• 항산화제 치료 후 자유 라디칼 수준이 측정 가능한 정도로 감소하여, 이 방법이 대사 조절에 민감하게 반응함을 입증하였다.
• tor1Δ 및 pex19Δ 돌연변이체는 볼드형 및 sod1Δ 주형보다 자유 라디칼 농도가 감소한 것으로 나타나, 이들의 수명 연장에 기여하는 잠재적 대사 기작을 시사하였다.
• 종단적 모니터링 결과 젊은 세포와 노령 세포 간 자유 라디칼 동역학에 명확한 차이가 나타나, 이 기술이 노화 연구에 실용적임을 검증하였다.
• 나노다이아몬드 프로브는 뛰어난 광안정성을 보이며, 신호 감쇠 없이 장기간 반복 측정이 가능하였다.