Границы нарушены. До недавнего времени нельзя было наблюдать процессы на молекулярном уровне с помощью микроскопа - в клетках все происходит за доли секунды, а отдельные участники этого зрелища настолько малы, что до сих пор сопротивляются взору любопытных . Однако ученые из Института фотоники и электроники АНКИ сейчас сделали первые шаги по обнаружению явлений глубоко под поверхностью. Они открыли новую технологию оптической микроскопии, благодаря которой реконструировали даже трехмерное движущееся изображение из жизни одной молекулы. Их исследование было опубликовано в журнале Nature Communications .
Вы тоже иногда смотрите на себя, например, и сколько процессов в ней происходит каждую секунду? Чтобы пальцы могли схватить перо и писать, чтобы ссадина после падения с колеса или ожог от горшка зажила и через несколько дней не было даже приговора. Науке уже известны многие процессы человеческого или животного организма или растений вообще, она может их описать и объяснить. Но он не всегда все знает. В то же время увидеть своими глазами означает раздвинуть границы познания. Но как смотреть на то, что должно быть в тысячу раз тоньше человеческого волоса? Увидеть больше и мельче — вот цель нанооптики, области, которая занимает скипетр там, где классическая микроскопия достигает своего предела. Более ста лет назад немецкий физик Эрнст Аббе описал, что даже самый лучший оптический микроскоп не может различить структуры размером менее половины длины волны света, или около 200 нанометров. Только на рубеже тысячелетий кажущийся непреодолимым дифракционный предел был нарушен. Сверхчувствительные оптические микроскопы, удостоенные Нобелевской премии, открыли ученым клетки и их компоненты во всей их полной, хотя и несколько размытой красоте, но они до сих пор не смогли достаточно быстро уловить, как эти биомолекулы работают и как они изменяются.
Жизнь наночастиц в 3D
Команда ученых из Института фотоники и электроники Академии наук Чешской Республики знает методы и процедуры, позволяющие заглянуть не только внутрь клеток, но и дальше — внутрь их строительных блоков — и в то же время контролировать метаболические процессы, поведение и жизнь клеток. Исследователи раскрыли и даже изобразили одну из таких клеточных историй в трех измерениях.
«Мы можем реконструировать динамику внутри молекул в клетке, в результате чего получится живая голограмма. Другими словами, мы можем проследить положение наночастицы, которая движется в небольшой структуре, в трех измерениях и каждую миллисекунду. Таким образом, мы сканируем весь объем образца тысячу раз в секунду и определяем его положение», — говорит Марек Пилиарик, глава исследовательской группы по нанооптике. В сотрудничестве с коллегами из Института биотехнологии Академии наук Чехии физики описали активность важного белка, участвующего в делении клеток. На первый план вышли микротрубочки и их взаимодействие с белком Ase1. По внешнему виду микротрубочки напоминают волокна, их диаметр составляет 25 нанометров, т. е. примерно тысячная часть человеческого волоса, они укрепляют клетку и позволяют ей делиться и двигаться.
«Упомянутый белок связывается с поверхностью микротрубочки, но не прочно, а так, чтобы она могла двигаться, он скользит по ней, он служит подшипником», — объясняет Марек Пилиарик. «Он переплетает микротрубочки. Его постоянное быстрое движение всегда очаровывало нас, но было очень сложно описать и понять его в деталях», — добавляет Зденек Лански из Института биотехнологии ЧР.
Это стало возможным только сейчас благодаря модулятору комнатного света с очень быстрым изменением температуры. Устройство включает в себя чип с лазерным нагревом, в котором сформирована градиентная линза. «Это похоже на мираж над дорогой — как только воздух нагревается, происходит другой индекс разрыва, и он начинает отражать свет. Аналогичное влияние мы имеем на распространение света в нашем микроскопе», — объясняет физику техническую сторону сложного прибора. Его команда коллег во главе с Хадриеном Робером оптимизировала весь процесс так, чтобы изменение тепла происходило намного быстрее — они могут модулировать отслеживаемый образец теплом около десяти тысяч раз в секунду.
Игра теней
Так на что же похожа голограмма микротрубочки и белка-компаньона? Ученые до сих пор не могут наблюдать молекулы в резких очертаниях, а скорее видят их тень, голограмма дифракционно размыта в одном направлении, но в перпендикулярном можно определить ее расстояние от поверхности с нанометровой точностью. Обычно можно увидеть серую точку, которая меняет свое положение и контраст. Пространственный модулятор позволит вам расфокусироваться, и каждое изменение будет приносить информацию о положении и свойствах молекулы. По этим данным можно ретроспективно реконструировать его плавное движение.«По сути, мы не видим, является ли молекула прямой или изогнутой. То, что мы видим, можно уподобить кругам в воде, например, когда вы бросаете в нее камень. Неважно, был он плоским или круглым, результатом всегда будут круги», — объясняет Марек Пилиарик. Однако по поляризующим свойствам света ученые заметят, если молекула изменит форму. Изменение сигнала предупреждает их об этом, потому что каждая форма рассеивает свет по-разному.
Специалисты отдела нанооптики Института фотоники и электроники АНКИ и Института биотехнологии АНКИ добились второго большого успеха в этом году. В дополнение к статье о скользящей по микротрубочкам белковой голограмме, опубликованной в престижном журнале Nature Communications , они объяснили динамику распада микротрубочек в феврале. Явление, известное десятилетиями и изображаемое как белковые завитки, было описано с беспрецедентной подробностью благодаря высокоскоростному сканированию с помощью специальной рассеивающей микроскопии. Открытие даже было освещено на обложке журнала Small Methods . Ученые хотят дальнейшего развития обоих результатов, новые микроскопические методы предлагают множество применений, особенно в научной среде, где предстоит открыть бесчисленное множество явлений, которые еще не были задокументированы или описаны без подходящей технологии визуализации. Однако их также можно использовать в коммерческом мире, например, в бытовой электронике. «Комнатные модуляторы — это метод, который довольно хорошо отображен, среди прочего, используется в проекторах. Есть аналогичные жидкокристаллические чипы, но они в сто раз медленнее, чем разработанные нами. Пока мы нацелены на научные приложения, но мы увидим, куда будет двигаться уровень технологий в будущем, например, наши знания найдут применение на более широком рынке», — говорит Марек Пилиарик. Исследователи Института молекулярной генетики АНКИ также совершенствуют методы микроскопической визуализации. С помощью криоэлектронной микроскопии они смогли визуализировать клеточные структуры с разрешением, близким к атомному. Вы можете узнать больше об их текущем проекте в пресс-релизе. Новый микроскоп позволит ученым наблюдать за липидами и лучше понять, что происходит в сердце клетки.
