Новая технология позволяет обычным микроскопам превзойти разрешающую способность оборудования стоимостью в несколько миллионов долларов.
Когда Али Шаиб получал степень магистра в Ливанском университете в Бейруте, он ждал своей очереди несколько недель, чтобы съездить в другой университетский городок и сделать несколько снимков на дорогостоящем микроскопе, что ученые в более богатых странах считают само собой разумеющимся. Теперь Шаиб, специалист по наноразмерам в Медицинском центре Геттингенского университета в Германии, и его коллеги разработали метод для обычных световых микроскопов, который, как они надеются, разрушит подобные барьеры.
Это изобретение, которое позволило получить потрясающие изображения отдельных белков и невиданных ранее структур в клетках, обеспечивает уровень детализации, превосходящий даже многомиллионные микроскопы со "сверхразрешением". "В микроскопии должна быть хоть какая-то демократия" (в оригинале игра слов: democracy in microscopy - прим.пер.), - говорит Сильвио Риццоли, специалист по наноразмерам из Медицинского центра Геттингенского университета, который вместе с Шаибом стал первопроходцем в этой технике, получившей название ONE-микроскопия. "Высокое разрешение нужно многим, а не нескольким богатым лабораториям".
Возможности обычных световых микроскопов ограничены законами оптики, которые означают, что объекты размером менее 200 нанометров становятся размытыми. Исследователи разработали методы сверхразрешения, которые, по словам Риццоли, могут снизить этот предел примерно до 10 нм. Этот подход, за который в 2014 году была присуждена Нобелевская премия по химии, использует оптические ухищрения для точного определения флуоресцентных молекул, прикрепленных к белкам.
В 2015 году исследователи придумали еще один способ обойти оптические ограничения. Группа под руководством Эдварда Бойдена, нейроинженера из Массачусетского технологического института в Кембридже, показала, что при раздувании ткани - с помощью абсорбирующего состава, который можно найти в подгузниках, - клеточные объекты удаляются друг от друга. Эта техника, называемая микроскопией расширения, привела к скачку в разрешении микроскопа и может позволить разглядеть структуры размером около 20 нм.
Техника Шаиба и Риццоли, описанная в исследовании, опубликованном в прошлом месяце на сервере препринтов bioRxiv, объединяет эти два подхода для достижения разрешения менее 1 нм. Это достаточно, чтобы выявить форму отдельных белков, которые обычно изображаются более детально с помощью гораздо более дорогих методов структурной биологии, таких как криоэлектронная микроскопия (крио-ЭМ) или рентгеновская кристаллография.
Простота расширительной микроскопии является частью ее привлекательности, утверждает Бойден, который подсчитал, что более 1 000 лабораторий уже используют эту методику. Образцы обрабатываются химическими веществами, которые прикрепляют белки к полимеру, который при добавлении воды разбухает до 1000-кратного размера, раздвигая молекулы. Микроскопия ONE (сокращение от one-step nanoscale-expansion) использует тепло или ферменты, чтобы также разъединить белки, поэтому отдельные фрагменты растягиваются в разных направлениях во время расширения.
Исследователи использовали свой подход для получения изображений нейронной молекулы, рецептора ГАМК, которые очень похожи на изображения белка, полученные с помощью крио-ЭМ и рентгеновской кристаллографии с гораздо более высоким разрешением. Они также зафиксировали очертания громоздкого белка под названием отоферлин, структура которого еще не определена и который помогает передавать звуковые сигналы в мозге. Форма напоминает структурное предсказание, сделанное сетью глубинного обучения AlphaFold.
Этот метод не может сравниться с разрешением крио-ЭМ, которая в некоторых случаях позволяет выявить детали почти атомного уровня размером менее 0,2 нм. Но крио-ЭМ - это сложный и дорогой метод. В отличие от этого, ONE-микроскопия может предложить быстрый и простой способ получения структурных данных практически о любой молекуле, говорит Риццоли. "Вы можете посмотреть на любой белок и получить разрешение, о котором вы и мечтать не могли".
Риццоли рассказывает, что разработка метода была отчасти продиктована необходимостью расширить доступ к передовой световой микроскопии. Метод ONE-микроскопии прост в применении и работает с устаревшими флуоресцентными микроскопами 1990-х годов.
Сальма Таммам, фармацевтический технолог из Немецкого университета в Каире, планирует этим летом отправить в Геттинген аспиранта для изучения этого метода. Ее лаборатория исследует, как наночастицы перемещаются в клетках. Они хотели бы увидеть мельчайшие детали перемещения частиц и их содержимого. Но, как и многие исследователи в странах с низким и средним уровнем дохода, они не имеют доступа к дорогим микроскопам сверхвысокого разрешения. "Это даст нам разрешающую способность по доступной цене", - считает она.
Расширение возможностей микроскопии сверхразрешения важно и для ученых из хорошо финансируемых учреждений, утверждает Ноа Липштейн, биолог, изучающий синапсы в Центре молекулярной фармакологии Лейбница в Берлине. У нее есть доступ к хорошо зарекомендовавшей себя технике сверхразрешения, называемой микроскопией со стимулированным истощением эмиссии. Но недавно она основала независимую группу и решила применить ONE-микроскопию в своих исследованиях тонких деталей нейронных синапсов.
"Это дало мне независимость, потому что мне не нужно полагаться на связи с большими шишками с тяжелыми машинами", - делится Липштейн. "Это я могу делать в своей собственной лаборатории и на своем собственном столе". Липштейн еще не довела технику до совершенства, но она уже видит отблески новой биологии. "То, что мы увидим новые вещи, - это почти само собой разумеющееся. Мы уже видим их, но пока не знаем, что это такое", - добавляет она.
