Мікроскоп XXI століття: молекули живої клітини в режимі реального часу • Олена Наймарк • Новини науки на "Елементи" • Технології, Молекулярна біологія, Біотехнології

Мікроскоп XXI століття: молекули живої клітини в режимі реального часу

Мал. 1. Зліва: 3D-модель мікроскопа. Всі його складові (крім лазерів) укріплені на демонстраційній дошці 46 × 61 см, повернутою вертикально поруч з оптичною стійкою зі столиком з окулярами. справа: фотографія самого мікроскопа. Зображення з додаткових матеріалів до обговорюваної статті

Команда Ерік Бетциґ створила новий мікроскоп, здатний знімати живі об'єкти мікромасштабі в режимі реального часу. Про його можливості розказано на сторінках журналу Science. У сухому короткому резюме перераховано, що новий мікроскоп (рис. 1) дозволяє: реєструвати переміщення однієї біомолекули, побачити процеси, що відбуваються всередині клітини, простежити поведінку окремих клітин в навколишньому матриксі, а також взаємодія клітин між собою в багатоклітинних системах. В реальності ж при погляді крізь окуляр нового мікроскопа відкривається новий захоплюючий світ.

Журнал Science на цьому тижні запросив своїх читачів в кіно: в статті Lattice light-sheet microscopy: Imaging molecules to embryos at high spatiotemporal resolution і додаткових матеріалах до неї демонструються більше 20 відеороликів. І це не прості відеокліпи – це мікро-або навіть наносвіт, знятий в режимі реального часу.Робота стала результатом праці великого колективу авторів, серед яких є і недавній лауреат Нобелівської премії з хімії Ерік Бетциґ.

Кадри з відео, що показують Т-клітку (коричневий колір), Приєднуються до клітки-мішені (синій колір). На відео це взаємодія можна розглянути у всіх деталях. Фото з обговорюваної статті в Science

На це видовище дійсно варто подивитися: перед очима відкривається цілий світ рухомих молекул усередині живої клітини. Ось клітина культури HeLa, а на її поверхні витягуються, тремтять і гойдаються тонкі нитки-філоподіі (див. Filopodia). Звичайно, чудові сверхкачественние зображення цих клітин з філоподіямі є в безлічі, але зараз можна побачити ці зображення "живими". Це приблизно як мчить поїзд на широкому екрані в порівнянні з його фотографією.

Кого-то, можливо, більше вразить ролик з розвиваються рано ембріоном дрозофіли в ході спинного закриття. Начебто це теж відомий сюжет, досліджений уздовж і поперек (A. Jacinto et al., 2002. Dynamic Analysis of Dorsal Closure in Drosophila) – але немає: перед нашими очима клітини з профарбованих кадгерінов, маркованими виникають клітинні контакти, а на наступному ролику – те ж саме,але демонструється рух клітин з профарбованих Актинові нитками: ось вони сповзають у напрямку один до одного, клітини змінюють форму, згущуються в одному місці, тремтять, займаючи потрібну позицію … І це не реконструкція, це – те, що відбувається з білками клітини – актином, кадгерінов – насправді в ході ембріогенезу. Можна помітити, що світиться міткою інші білки і регулятори – і знову побачити в реальному часі картину їх експресії та роботи в клітці, будь це та чи інша стадія ембріогенезу або будь-який інший біологічний процес. Важливим є те, що досліджувані об'єкти продовжують жити на предметному столику.

Куди прямують молекули білків мікротрубочок під час послідовних фаз клітинного ділення? – будь ласка, дивіться інший відеоролик. Ось рухаються хромосоми, ростуть мікротрубочки, мітохондрії взаємодіють з ендоплазматичним ретикулумом. Останнє особливо цікаво: видно, як ендоплазматичнийретикулум перетворюється в особливу "цистерну" (див. L. Lu, MS Ladinsky, T. Kirchausen, 2009. Cisternal Organization of the Endoplasmic Reticulum during Mitosis), що вміщає мітохондрії, і можна відстежити специфічні переміщення і тих, і інших. Ніякі графіки і ніяка фото не передає живий динаміки клітинного ділення (рис. 2).

Мал. 2. Кадри з відео, що показує клітинний розподіл: зліва – интерфаза, справа – анафаза. Хромосоми (гістони) пофарбовані коричневої міткою, іншими квітами позначені зростаючі кінці мікротрубочок, колір відображає швидкість їхнього зростання. на графіку показано розподіл відповідних швидкостей. Зображення з обговорюваної статті в Science

Мал. 3. Клітка попередника нейтрофіла в коллагеновом матриксе. Зображення з обговорюваної статті в Science

Деякі з представлених відео не тільки повчальні, але і дуже забавні: добре видно метушливі руху інфузорії Tetrahymena thermophila або видно, як прокладає свій звивистий шлях клітина пронейтрофіла (HL-60), буквально продираючись крізь волокна колагену (рис. 3). У першому випадку вдається точно оцінити число биття джгутиків, що важливо для зіставлення швидкостей біохімічних і фенетіческіх проявів. Другий приклад ще більш актуальне: це модель нейтрофіла, який прямує крізь тривимірну тканину, укріплену колагеном, до зараженій ділянці.

Достойно описати словами ці ролики неможливо. Можна лише привести короткий перелік нових спостережень, відкриттів, які дозволяє зробити нова техніка.Але це буде скоріше нагадувати рекламу нового мікроскопа, яка вже існує в досить культурному і красивому виді (правда, по-англійськи). У цьому тексті наводяться слова Е. Ерік Бетциґ, який виправдовує швидку комерціалізацію нової техніки:

Щоб адаптувати робочий високотехнологічний прототип до сучасних можливостей зображення, потрібні були колосальні зусилля. В кінцевому підсумку, комерціалізація – це необхідний завершальний крок, покликаний переконати наукове товариство, що новий продукт відкриває широкі дослідницькі перспективи.

(It takes a huge amount of effort to move from a successful high-tech prototype to broader adoption of an imaging technology. Ultimately, commercialization is the crucial last step to ensuring that these technologies can have broad impact in the research community.)

Дійсно, зрозуміло, що новий мікроскоп і справді виключно перспективний, але його рекламою нехай займається компанія Carl Zeiss, якої тепер належать права на цю техніку. Тут має сенс лише зазначити, ніж цей мікроскоп відрізняється від всіх інших.

Мал. 4. Поділ світловий площині на окремі промені і сканування об'єкта. промені (синьо-зелені), Що лежать в одній площині, проходять через об'єкт (сірий), Область збудження (коричневі плями) Створює флуресцентний відповідь, який прямує в окуляр. Малюнок з обговорюваної статті в Science

При мікроскопірованіі живих об'єктів виникають дві основні проблеми. По-перше, щоб отримувати зображення з високою роздільною здатністю, потрібно об'єкт висвітлити; але чим вище інтенсивність освітлення, тим швидше об'єкт вмирає. По-друге, щоб отримати зображення об'єкта, що змінює свою позицію в просторі, потрібні обчислення, які займають час; значить, чим швидше рухається об'єкт, тим менше ймовірність отримати його зображення в хорошому дозволі. Ці проблеми взаємопов'язані, так як хороше дозвіл вимагає більшого висвітлення і, отже, передбачає більш короткий проміжок життя досліджуваного об'єкта під мікроскопом. Обидві ці проблеми вдалося обійти, застосувавши для освітлення світлову площину, створену променями Бесселя (рис. 4).

Освітлення світловий площиною використовується у флуоресцентних мікроскопах, але ось промені Бесселя були запропоновані для микроскопирования тільки в 2011 році все тією ж командою Ерік Бетциґ (див. Статтю TA Planchon et al., 2011. Rapid three-dimensional isotropic imaging of living cells using Bessel beam plane illumination). За минулий час ця апаратура була вдосконалена за рахунок особливого методу поділу світловий площині оптичної гратами на окремі паралельні промені.Кожен промінь має меншу інтенсивність і, відповідно, виробляє на клітку менший ушкоджує ефект. Придумана також система, що дозволяє швидко продукувати образ об'єкта. Тут задіяні співвідношення між довжинами хвилі, індукованої швидкістю вібрації променів і згладжуванням результуючих зображень. (Для більш точної інформації про цю технологію краще звернутися до додаткових матеріалів до статті.)

Хотілося б сподіватися, що комусь із читачів "Елементів" вдасться подивитися в цей чудовий мікроскоп. Це простіше, ніж полетіти на Марс, а враження, можливо, можна порівняти.

джерело: Bi-Chang Chen et al. Lattice light-sheet microscopy: Imaging molecules to embryos at high spatiotemporal resolution // Science. 2014. V. 346. P. 439. DOI: 10.1126 / science.1257998.

Олена Наймарк


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: