Эта Техника Раскрывает Скрытый Мир Биологии Который Мы Никогда Ранее Не Видели

Вся жизнь состоит из клеток, на несколько величин меньших, чем крупинка соли. Их, казалось бы, простые на вид структуры скрывают сложную молекулярную активность, которая позволяет им выполнять функции, поддерживающие жизнь.

Ученые открывают возможность визуализировать эту деятельность с такой степенью детализации, на которую они раньше не были способны.

Биологические структуры можно визуализировать, либо начав с уровня всего организма и работая вниз, либо начав с уровня отдельных атомов и работая вверх.

Однако существует разрыв в разрешении между мельчайшими структурами клетки, такими как цитоскелет, который поддерживает форму клетки, и ее крупнейшими структурами, такими как рибосомы, которые производят белки в клетках.

По аналогии с картами Google, хотя ученые смогли увидеть целые города и отдельные дома, у них не было инструментов, чтобы увидеть, как дома собираются вместе, образуя кварталы.

Просмотр этих деталей на уровне соседства необходим для понимания того, как отдельные компоненты работают вместе в окружающей среде клетки.

Новые инструменты неуклонно сокращают этот разрыв. И продолжающаяся разработка одного конкретного метода, криоэлектронной томографии, или крио-ЭТ, имеет потенциал для углубления того, как исследователи изучают и понимают, как клетки функционируют в здоровом состоянии и при болезнях.

Как бывший главный редактор журнала Science и как исследователь, который десятилетиями изучал трудно визуализируемые крупные белковые структуры, я стал свидетелем поразительного прогресса в разработке инструментов, которые могут определять биологические структуры в деталях.

Точно так же, как становится легче понять, как работают сложные системы, когда вы знаете, как они выглядят, понимание того, как биологические структуры сочетаются друг с другом в клетке, является ключом к пониманию того, как функционируют организмы.

Криоэлектронная томография показывает, как выглядят молекулы в высоком разрешении - в данном случае вирус, вызывающий COVID–19. (Нанография, CC BY-SA)

Краткая история микроскопии

В 17 веке световая микроскопия впервые выявила существование клеток. В 20 веке электронная микроскопия позволила получить еще больше деталей, раскрыв сложные структуры внутри клеток, включая органеллы, такие как эндоплазматический ретикулум, сложную сеть мембран, которые играют ключевую роль в синтезе и транспорте белка.

С 1940-х по 1960-е годы биохимики работали над разделением клеток на их молекулярные компоненты и научились определять трехмерные структуры белков и других макромолекул с атомным разрешением или близким к нему. Впервые это было сделано с помощью рентгеновской кристаллографии для визуализации структуры миоглобина, белка, который снабжает мышцы кислородом.

За последнее десятилетие методы, основанные на ядерном магнитном резонансе, который создает изображения, основанные на том, как атомы взаимодействуют в магнитном поле, и криоэлектронная микроскопия быстро увеличили количество и сложность структур, которые ученые могут визуализировать.

Что такое крио-ЭМ и крио-ЭТ?

Криоэлектронная микроскопия, или крио-ЭМ, использует камеру для обнаружения отклонения пучка электронов при прохождении электронов через образец для визуализации структур на молекулярном уровне.

Образцы быстро замораживаются, чтобы защитить их от радиационного повреждения. Подробные модели интересующей структуры создаются путем получения множества изображений отдельных молекул и усреднения их в 3D-структуру.

Cryo-ET имеет схожие компоненты с cryo-EM, но использует другие методы. Поскольку большинство клеток слишком толстые, чтобы их можно было четко отобразить, интересующую область в клетке сначала прореживают с помощью ионного пучка.

Затем образец наклоняют, чтобы сделать несколько снимков под разными углами, аналогично компьютерной томографии части тела, хотя в этом случае наклонена сама система визуализации, а не пациент. Затем эти изображения объединяются компьютером для получения 3D-изображения части клетки.

Разрешение этого изображения достаточно высокое, чтобы ученые – или компьютерные программы – могли идентифицировать отдельные компоненты различных структур в клетке. Ученые использовали этот подход, например, чтобы показать, как белки перемещаются и разлагаются внутри клетки водорослей.

Многие из шагов, которые исследователям когда-то приходилось выполнять вручную, чтобы определить структуру клеток, становятся автоматизированными, что позволяет ученым идентифицировать новые структуры с гораздо более высокой скоростью.

Например, сочетание крио-ЭМ с программами искусственного интеллекта, такими как Alpha Fold, может облегчить интерпретацию изображений путем прогнозирования белковых структур, которые еще не были охарактеризованы.

Это крио-ЭТ изображение хлоропласта клетки водоросли. (Энгель и др., 2015 г.)

Понимание структуры и функции клеток

По мере совершенствования методов визуализации и рабочих процессов исследователи смогут решать некоторые ключевые вопросы клеточной биологии с помощью различных стратегий.

Первый шаг – решить, какие клетки и какие области внутри этих клеток следует изучать. Другой метод визуализации, называемый коррелированной световой и электронной микроскопией, или CLEM, использует флуоресцентные метки, чтобы помочь определить области, где в живых клетках происходят интересные процессы.

Это крио-ЭМ изображение вируса Т-клеточного лейкоза человека типа 1 (HTLV-1)

Сравнение генетических различий между клетками может дать дополнительную информацию. Ученые могут посмотреть на клетки, которые не способны выполнять определенные функции, и увидеть, как это отражается на их структуре. Этот подход также может помочь исследователям изучить, как клетки взаимодействуют друг с другом.

Крио-ЭТ, вероятно, останется специализированным инструментом в течение некоторого времени. Но дальнейшие технологические разработки и повышение доступности позволят научному сообществу изучить связь между клеточной структурой и функцией на ранее недоступных уровнях детализации.

Я ожидаю увидеть новые теории о том, как мы понимаем клетки, переходя от неорганизованных мешочков молекул к сложно организованным и динамичным системам.

Источник новости The Conversation