听:化学家科比NanoGenotoxicology纳尔逊
科比纳尔逊博士的讲座
在2016年的春天,化学家科比纳尔逊参观了斯沃斯莫尔最佳线上娱乐交付Sigma Xi讲座。
分析化学家,尼尔森目前nanogenotoxicology项目DNA科学组的领导者。他目前的研究兴趣包括生物机制的调查和描述氧化诱导的DNA损伤及其修复相关的发病率和发展与年龄相关的疾病,如癌症和代谢综合征。目前他正在开发新颖的测量平台和大规模spectrometry-based方法评估的影响工程纳米材料诱导的DNA氧化损伤。
Sigma Xi是一个国家组织致力于促进科学研究。章在许多学院和大学校园,包括斯沃斯莫尔学院。最佳线上娱乐学科所覆盖的Sigma Xi社会数学、统计、工程、生物学、化学、物理学、天文学、和某些心理学和语言学的分支学科。
音频记录
科比尼尔森:我很高兴来到这里。非常感谢Sigma Xi章节。(听不清00:00:05)邀请我。这是我第一次与[听不清00:00:14]。绝对漂亮。我不能理解…我一直在NIST,国家标准与技术研究院,16年了。时间真的飞了,我记得我得到这个职位。高级,我研究生课程的最后一年,这是一个讲师,NIST的科学家之一,实际上来到[听不清00:00:42]和做一个讲座,我问很多问题的话题讨论,很多,会后他向我走了过来,“你必须有申请一个职位在NIST博士后当你毕业。”
事实上,我这么做。这是一个竞争的过程和16年已经过去了,这是太棒了。NIST科学家谁邀请我来做博士后现在NIST的主任,他也是美国商务部副部长,所以他是一个伟大的主张在当时和现在也。我敦促你抓住任何主张,你可以找到在你的职业生涯和让他们接近。
但是今天,我想告诉你一些工作,我们兴奋的NIST关于纳米粒子与DNA的相互作用。我认为这是一个非常重要的话题。我们已经在这个领域工作了大约九年了,我们有一些激动人心的数据,我想与你分享,一些早期的数据,然后一些新项目前进。
所以,NIST是什么?NIST实际上是商业的一部分,我们是non-regulatory与FDA的研究所。我们没有很多力量也许做事,但是我们建议你做事情以某种方式测量而言。我们国家计量研究院,这意味着我们我们衡量事物的标准,这样美国就可以产生巨大的经济影响经济的所有领域。我们测量对象(如蛋白质。我们还做测量的方法在提高基因编辑和我们测量燃料的技术,我们有一个广泛的活动,我们参与。
我们1788年第一次想到我节8条美国宪法,它被扑灭,美国需要有一个机制来设定我们的测量标准,所以那里的想法是。需要再过120年我们的创始人实际上创建NIST。我们创建于1901年在华盛顿特区,established in actually downtown Washington D.C. as the National Bureau of Standards, you might have heard of that. We changed our name to the National Institute of Standards and Technology, not many people recognized that new name but we're still the same institute.
只是给你一个我们所在地的味道,有多少员工在研究所工作,我们有两个主要的位置:马里兰州盖瑟斯堡的一个,是我来自的地方。校园是一个学术类型的环境,鹿跑来跑去。很漂亮,不像(听不清00:04:18)美丽的景色。我们其他的主校区在博尔德科罗拉多州。我们一共有大约5000名员工包括科学家和工程师,我们有大约2000访问客座研究人员访问我们所有的不同的校园。五个不同的机构在美国从华盛顿特区到夏威夷。
每天,我们实际上做什么?我们进行测量研究,我们测量的东西是重要的,以确保美国的经济福祉。我们把标准记录数据,标准记录材料。我们执行校准和测试确保航空公司,例如,高度计是正常工作,所以我们的科学家实际上出去身体校准那些设备在不同类型的飞机。我们实验室认证和延长超过400标准委员会。这是一个总体概述的广度NIST参与的事情。
今天我想谈谈,具体地说,我们如何看待纳米材料与DNA的相互作用,这可以称为DNA纳米材料毒理学但这并不一定意味着有负面的事情与DNA的相互作用。这只是封面领域的术语。我们试图利用各种类型的模型在我们的工作,特别是我们使用三个不同的模型所示图。我们用细胞模型,我们使用细胞模型和我们还使用多细胞模型看这些纳米粒子和纳米材料对DNA的影响。
弄清楚,纳米粒子或纳米材料这些非常小的材料,至少有一个维度的100纳米或更少。你可以有其他维度的主要定义。有很多争论纳米材料的定义,在中国和欧洲,但对于今天的讨论任何材料一维,至少是100纳米或更少的是我们将要说些什么。
底部显示的生物模型是最新类型的模型系统,我们已经一起工作,理解不了这些交互。仍然有争议是否最好使用体外模型和体内模型做纳米材料毒理学。最好的情况下,当然,我们永远不会做的,是用人类的模型。这将永远不会发生,所以我们需要一些细胞和人体模型之间的真正理解纳米材料和DNA的生理影响。我们使用在我们实验室现在植物和生物,特别是我们使用一些拟南芥和黑麦草和我们也做了很多的工作与[听不清00:08:06]所以我进入。这是令人兴奋的领域,我们进入。
纳米材料如何诱导DNA或修改,如果他们能吗?主要机械的基本原理是纳米材料可以产生自由基,如羟基自由基和自由电子或氢原子。这些自由基的DNA可以在任何的四个基地攻击或任何磷酸盐的骨干。当这些自由基,如果他们形成的纳米材料,他们可以形成不同类型的DNA损坏的产品,如DNA基础伤害或DNA糖损伤和各种不同的类型。
我们希望能够测量这些病变的形成以非常低的数量所以我们必须想出一种技术来做到这一点,我们已经接近使用质谱技术测量这些不同的病变。的一些病变形成自由基攻击的诱变和一些细胞毒性和氧化应激的标记。其中一些基因图26的病变形成,我们可以测量使用质谱技术。我们如何做呢?
我们使用用连字符连接(听不清00:09:46)质谱测量这些病变,萃取DNA在细胞DNA或细胞或DNA从生物体中提取。这个过程很简单,这是一个五步的过程。你的DNA,清理与乙醇,您确定DNA的数量,你是否提取DNA或它的原始DNA,然后你添加同位素标记entero-standards,肢解DNA使用基本修复酶。我在这里展示台塑和Endo-3。那么你实际上孵化,然后这些酶切除,或删除,受损的基地或病变之前我给你们的幻灯片。然后你就简单的测量和识别他们的水平使用液相色谱,质谱或气相色谱质谱。
使用这些技术可以测量低至1亿年病变基地之一。这就是我们已经能够去。我们做的第一研究之一,在这一天,早在2012年,我们看着一氧化碳纳米粒子的影响在一些陆生植物。我们使用这一模型来看看萝卜,萝卜,影响年度黑麦草和多年生黑麦草。被《纽约时报》的工作,因为它有很多影响纳米粒子能进入植物系统,造成DNA损伤。只是为了告诉你的结果萝卜孵化和曝光,当你萝卜暴露在纳米粒子和散装颗粒,大部分粒子有一个直径为200纳米,他们是100纳米范围之外我在谈论和纳米粒子直径69纳米。
马上可以看到,一个控制相比,未曝光的萝卜大部分粒子抑制萝卜的生长在两个不同的浓度。但更如此,纳米粒子引起了巨大的增长和减少阻碍植物萝卜的形成。至于DNA损伤,可能会或可能不会发生我们基本上集中在这项研究中,看它有三个不同的原因,两个鸟嘌呤氧化应激产品,8-hydroxy鸟嘌呤病变的每个人都听说过。很诱变,使颠换突变。然后从鸟嘌呤,减少产品影响鸟嘌呤,是一种水户prohibidines形成的自由基攻击。
看这三个病变,形成植物的影响,萝卜,你会看到有剂量依赖性增加病变。在y轴上显示每100万DNA碱基损伤,所以当你增加你接触氧化铜的浓度有剂量依赖性增加形成的病变类型的数量。现在我不显示多年生黑麦草或年度黑麦草因为萝卜的概要文件是完全不同的。这不是剂量依赖但它确实有一个模式的独立纳米粒子或粒子。所以有一种依赖的DNA损伤发生的植物。
这个研究显示,第一次,可以形成多个病变常见的植物。我们挖了一个小的研究显示,有一个非常有趣的影响这些铜纳米粒子相比,铜的吸收大部分粒子。作为所示控制我们使用的铜离子的吸收是一个萝卜的铜离子、纳米粒子和散装颗粒。您可以看到,为纳米粒子有一个巨大的增长大部分粒子的吸收。这是一个惊人的增长和规模从0到1500毫克每克铜的工厂,完全不同于发生在多年生黑麦草。规模是只有100毫克每克的植物,有一种依赖的吸收和植物的DNA损伤。这是一个了不起的发现。
所以我们去更深层次的发现这些纳米粒子在这些植物在哪里?原来他们进入根细胞。我们做了一个扫描透射电子显微镜对根细胞,我们位于根纳米粒子在细胞和确认用元素分析,这是与植物系统发生了什么。
事情并不都是坏的纳米粒子。不是说在植物吸收不好,但我们已经开始一个新项目,我们看我们如何使用某些类型的纳米粒子可能抑制DNA修复蛋白。为什么我们要这么做?癌症是一种系统的DNA修复蛋白是高度管制所以与正常细胞相比,癌细胞有低效的DNA修复蛋白高度冗余的系统。可能会有一种我们可以使用纳米粒子结合其他类型的疗法,如放疗或化疗,抑制和选择性地抑制他们的DNA修复蛋白。
现在这不是一个新想法的使用化学物质。已经有大量的试验由主要的制药公司,如Astra-Zeneca和辉瑞公司使用不同类型的化学基础DNA修复抑制剂来选择性地看待和抑制不同类型的DNA修复蛋白或通路,如票面价值或基本切除修复蛋白通路。我们的想法是,但你能做它与纳米粒子,相同类型的东西可以是安全的。
作为一个例子,有一个人类基本切除修复叫做NEIL1的蛋白质。这只是一个图显示不同修复的切除特异性蛋白质以及它们如何切除和删除某些类型的氧化改性病变。NEIL1,这里,这表明它只专门删除b-adenine和b-guanine DNA链中有许多b-adenines b-guanines, NEIL1会去专门砍那些病变和修复。这就是为什么NEIL1如此重要的原因。也很重要,因为NEIL1位于细胞核和线粒体参与两种不同的DNA修复途径,单链断裂修复以及核(听不清00:18:35)修复。它只有特异性对于这两种病变,b-adenine b-guanine,没有特异性8-hydroxy鸟嘌呤。这就意味着当遇到8-hydroxy鸟嘌呤不能切除和删除。
幸运的是,我们有一个漂亮的金纳米粒子称为非盟55岁,意味着它只有55个原子,它是由55个原子直径1.4纳米。事实证明这个盟55集群有着像大多数纳米材料独特的属性。它可以催化特性,您可以调整做某些事情。我们把这个盟55,1.4纳米金纳米粒子与NEIL1我们孵化,事实证明,当你这样做时,执行一个浓度的研究金纳米粒子从0到100微摩尔暴露条件下,它可以专门抑制b-adenine b-guanine。
第一行显示的背景水平DNA被孵化,这正是40级DNA,这是40级电离辐射暴露在我们有一个高水平的DNA损伤。病变样本的背景水平很低没有任何NEIL1修复。热激活NEIL1没有活动。如果你不添加任何黄金纳米粒子,你得到这么多病灶切除。这是规范化数据,但如果你增加黄金纳米粒子的浓度,抑制病变切除开始。我们现在显示在两个不同的模型系统。这是所有切除工作。NEIL1我们使用,我们还使用了细菌衍生蛋白质称为台塑和它的运作是一样的。我们得到了抑制修复蛋白的活性。我给这里的IC 50约30微克分子。
这只是这个方向的第一步。下一步将重点实际上给这个目标配体非盟55和使用电池,实际的细胞,癌症细胞,做同样的事。这是一个更加困难的事,但我想我们在正确的轨道上。
好了,我要换齿轮一点和去新区我开始谈论我们试图桥与生物纳米粒子的研究和理解。我想谈谈这个优秀的生物称为秀丽隐杆线虫。那是一个美丽的美丽的生物,据说是地球上最大量的线虫。这是一个透明的虫子已经完全测序,早在1998年。这实际上是第一多细胞生物的基因组测序。它有大约20000个基因与许多基因与人类基因同源。它有一个伟大的寿命,你可以做你所有的实验在不到两个星期所以从出生到完整的成人可以暴露蠕虫和提取DNA,并看看这些纳米粒子和纳米材料的影响的诱导DNA的修改。
他们为什么使用它们在神经生物学和生物学(听不清00:23:01)多年来,许多伟大的发现始于秀丽隐杆线虫的使用。我们现在严重朝着这个方向在我们的实验室。现在的工作。这是我们的模型系统。
我们需要做什么才能真正利用呢?对于质谱,这是我们正在使用的技术,我们的工作,我们需要能够得到的DNA。目前不是很容易许多可用的DNA提取方法去除DNA蠕虫。的包有非常昂贵的和所有的程序,我们试过发表中提取DNA的没有重现。我们正在开发一个新的蠕虫病毒DNA检测方法基于使用高盐酶过程我们试图基准,对通常的苯基氯仿萃取过程是常见的蠕虫病毒细胞。
NIST,我们要做的是当我们开发一个新的程序我们喜欢看不同类型的所有属性的过程,以确保它的质量非常高。在这种情况下我们要看数量的DNA提取DNA破碎的程度,RA蛋白质杂质,污染从其他来源的DNA也发现DNA损伤。我们必须先做这一切,然后我们会有一个方法,我们可以使用可靠。
我只是想有个预览的工作我们已经启动。这艰难的角质层的蠕虫,在外面,让他们几乎是不受各种各样的提取过程。我这里显示三种不同的提取过程,这些过程的结果在光学显微镜下。控制蠕虫在解冻与自由,高盐缓冲,溶解或在液氮研磨蠕虫。好的,所以我们花了500000虫子开始执行这些程序。免费解冻蠕虫控制相比没有做,这是你用液态氮,然后解冻蠕虫、液氮和解冻了。发生的并不多。然而,当你把我们新的高盐缓冲,我再也不会说比,你看到所有这些碎片的蠕虫。清晰的片段,蠕虫我们能够穿过蠕虫和可能得到他们的DNA,对吧?
你可以在液氮研磨虫子,D,什么也不会发生。你身体能做30分钟,你仍然可以看到虫子在这里游泳。这太疯狂了。它需要大量的工作来获得DNA的蠕虫。但幸运的是我们能够做到。我这里显示DNA的数量我们可以从250000年蠕虫与100000年蠕虫。我们只需要50微克质量规范程序只使用100000蠕虫是足够的,差不多。
最后,我们做了一些背景测量形成的病变,这里我们比较高盐过程,尚未发表的新过程,而苯酚萃取预计苯酚萃取,蓝色的,你看到一个大的疤痕消失了,但是有一个更大程度的氧化产品在我们测量这些不同的病变。我们得到一个很好的信号的所有其他病变,病变,所以我们相信,使用这个新的高盐萃取过程,我们可以开始观察纳米粒子对秀丽隐杆线虫的影响。
每当有人想做任何类型的接触学习,不管什么生物,不管是鱼还是秀丽隐杆线虫或植物,你必须能够使你感兴趣的,然后删除纳米粒子因为你想知道多少,你必须知道多少剂量的纳米粒子和生物实际上是暴露在多少。我们必须想出一个过程,可靠地将纳米粒子与生物。这是第一部分,有机体的工作。第二部分然后你需要一个可靠和健壮的过程测量的纳米粒子实际上是多少(听不清00:28:41)蠕虫。我会说两种。
事实证明,如果你看看文献,你会发现大多数人只是,大多数科学家只是执行曝光使用任何他们想要的模型,然后用水洗的有机体。这不是合适的,它不工作,我会告诉你为什么。想象你正在做一个敞口瓶的纳米粒子和生物然后转移回喷泉管你想删除纳米粒子,因为您只需要知道生物接触一定量的纳米粒子和它们不是粘在外面的有机体。
离心机,在我们的例子中,这个喷泉管在一个非常低的速度和它的作用迫使秀丽隐杆线虫喷泉底部的管和纳米粒子保持悬浮,所以你能做的就是您可以删除超级本地包含纳米粒子和三次。继续做你的实验,你的DNA实验,你会发现大量的工件。为什么?一个简单的洗水或缓冲在生物体的研究是不够的。我们做了一些扫描电镜样品的清洁使用这些程序,这是一个秀丽隐杆线虫mote,这是一个成年人。你得到一个扫描电镜和扫描蠕虫的外面,你看到这些可爱的小亮点。事实证明,你这样做用金纳米粒子直径60纳米,你可以找到直径60纳米粒子在外面坚持管。我们证实,用元素分析、x射线色散光谱,展示漂亮的黄金信号。
这将打败所有的答案,你会得到从你的DNA损伤研究所以我们必须想出一个新的更好的方法来确认和删除粒子秀丽隐杆线虫的表面。这个过程,我们提出了其实很简单和优雅。你采取同样的曝光情况粒子在一个瓶,转移到喷泉管,粒子和秀丽隐杆线虫,旋转三次,让他们解决,捕捉你的秀丽隐杆线虫。你仍然可以看到粒子嵌入。那么简单你可以整个样品转移到这个管含有蔗糖密度梯度。
你把秀丽隐杆线虫和纳米粒子在这个梯度,这增加梯度浓度的蔗糖低到高,和可以执行一个简单的旋转在低G和这原因秀丽隐杆线虫的纳米粒子的分离。纳米粒子从初始点到这个初始浓度梯度,但实际上,秀丽隐杆线虫更加迁移下来和停止他们的浮力密度匹配蔗糖的密度。在这一点上你有一个好,清洁时可以分离[听不清00:33:01]这是纯粹的秀丽隐杆线虫,它还活着在这一点上,你可以执行进一步的研究。我们确认这个使用ICPMS总黄金和那些超级薄片。当你沿着每一层,每一层,我们可以量化的黄金买礼物。正如你所看到的,在秀丽隐杆线虫之间的零和两层,几乎没剩下什么黄金。
我们真的很喜欢这个新过程,但是我们要确保它确实有效,所以我们做了进一步的测试,看着金纳米粒子在生物体内积累的我之前显示的秀丽隐杆线虫。这一次我们使用单粒子ICPMS来确定粒子的大小在蠕虫。我们预计,虫子会吃60纳米金纳米粒子和他们做了什么?结果表明,相比于60纳米金纳米粒子的控制三个样本,蠕虫实际上摄入60纳米金纳米粒子。
我有一个小电影给你看,如果我能找出如何得到这个开始。保罗你知道遥控器也没有……
发言人2:[听不清00:34:43]
科比尼尔森:应该的图标。
发言人2:[听不清00:34:48]
科比尼尔森:哦,在这里。我看见它。
发言人2:是的,我[听不清00:34:53]
科比尼尔森:这里。我想告诉你,这是一个聚焦离子束的扫描电子显微镜图像片的蠕虫,50纳米片的蠕虫纵向,在那里你可以看到腔,或肠道,虫吃。密切关注,有亮点出现在这里。这些亮点是我们认为黄金纳米粒子。粒子进入内腔,然后呆在腔体。你可以看到microvillae这里,可能有些microvillae粒子。实际证明这是黄金纳米粒子,然后我们做扫描电镜切片和我们看所有可用的亮点。比脂质亮点有更高的对比度,因此对这些亮点进行元素分析,让我们聚焦在当场,我只是突出显示在这里。我们能够展示,如果你放大,我们认为这是三个不同的纳米粒子,但元素分析显示,毫无疑问,这些都是黄金纳米粒子。
现在我们知道,我们的方法清理有机体的纳米粒子从外面好用。我们有一个方法,在生物体内积累的金纳米粒子的吸收进虫子,我想结束一些吸收数据。
所以我要显示的大小依赖于吸收黄金,这是金总使用ICPMS到三种不同的风险大小。我们使用80、100和150纳米大小的黄金纳米粒子和总实验实际上是相当…有一个尺寸的依赖。实际上这两个,我的博士后交换这两个,所以你可以看到,这应该是80纳米。吸收的黄金总量规模减少,但这里的显示更清楚。当你使用单粒子ICPMS你可以看到80年,100年和150年纳米金纳米粒子。每线虫无机粒子,当你增加大小、粒子数减少。你这里有大约30粒子然后十粒子像你去150纳米的两个粒子。
,我认为我想承认许多合作者在这个项目。这些都是学生,本科学生和博士后,NIST的合作者以外。真正优秀的本科生,NIST的来,我们有一个夏季本科研究奖学金计划,是一个完整的三个月在夏天。竞争项目学生申请,现在我认为,通过几个月的12月和1月和2月。它完全支付,住房和工作与优秀的NIST的研究人员之一。这是一个非常坚实的经验和乐趣。如果你发现任何细节关于这个项目感兴趣请随时问我演讲后,但我结束我的演讲,谢谢大家。
