Надроздільна мікроскопія відкриває нові таємниці клітин

У XVII столітті голландський мікроскопіст Антоні ван Левенгук за допомогою крихітної сферичної скляної лінзи, затиснутої між двома латунними пластинами, вперше офіційно описав еритроцити та сперматозоїди в людських тканинах, а також спостерігав «анімалькули» — бактерії та найпростіші організми у воді озера.

Згодом з'явилися все потужніші світлові мікроскопи, які виявили клітинні органели, такі як ядро та мітохондрії, що виробляють енергію. Однак у 1873 році вчені зрозуміли, що існує межа рівня деталізації. Коли світло проходить через лінзу, воно розсіюється через дифракцію. Це означає, що два об'єкти неможливо розрізнити, якщо вони знаходяться на відстані менше приблизно 250 нанометрів один від одного — замість цього вони виглядатимуть як розмите плямо. Це поставило внутрішню будову клітинних структур поза межами досяжності.

Електронна мікроскопія, яка використовує пучки електронів замість світла, забезпечує вищу роздільну здатність. Але отримані чорно-білі зображення ускладнюють розрізнення білків, а метод працює лише з мертвими клітинами.

Тепер, однак, інженери-оптики та фізики розробили складні прийоми для подолання дифракційної межі світлових мікроскопів, відкриваючи новий світ деталей. Ці технології «надроздільної» світлової мікроскопії можуть розрізняти об'єкти розміром до 100 нанометрів, а іноді навіть менше 10 нанометрів. Вчені прикріплюють крихітні кольорові флуоресцентні мітки до окремих білків або фрагментів ДНК, часто в живих клітинах, де можна спостерігати їх у дії. Внаслідок цього вони зараз заповнюють ключові прогалини в знаннях про те, як працюють клітини і що йде не так при неврологічних захворюваннях та раку, або під час вірусних інфекцій.

«Ми справді можемо побачити нову біологію — речі, які ми сподівалися побачити, але не бачили раніше», — каже молекулярний клітинний біолог Лотар Шермеллех, який керує центром візуалізації в Оксфордському університеті у Великій Британії.

Надроздільна мікроскопія використовує різноманітні техніки для виявлення деталей, які зазвичай приховані дифракційною межею, пояснює Шермеллех. Мікроскопія локалізації одиночних молекул, наприклад, використовує той факт, що плями на зображенні легше точно локалізувати, коли вони з'являються ізольовано, а не згруповані разом. Вчені маркують молекули, що їх цікавлять, флуоресцентними мітками, призначеними для спонтанного випромінювання світла. Коли зонди миготять, обчислювальні моделі точно оцінюють, де розташована кожна молекула, і реконструюють зображення зразка з високою роздільною здатністю.

Інша техніка, стимульоване виснаження випромінювання, сканує зразки лазерами, оточеними другим кільцем лазерів у формі пончика, які гасять флуоресцентне світло навколо області інтересу, підвищуючи роздільну здатність мікроскопа. Третій метод, який називається структурована ілюмінаційна мікроскопія, освітлює зразки смугастим візерунком світла. Ці смуги інтерферують зі світлом, що випромінюється зразком, у спосіб, який дозволяє вченим зробити висновки про додаткові деталі зображення.

Основи цих технік були розроблені на початку 2000-х років, але лише нещодавно вони стали достатньо поширеними та доступними для регулярного використання біологами, каже Шермеллех. «Зараз у нас справді багато проектів, які використовують надроздільну мікроскопію як справжній інструмент для біологічних відкриттів, а не просто для створення гарних зображень».

Ці технології вже виявили нові клітинні структури. Вчені виявили, що нейрони мають унікальний тип каркасу, який називається мембрано-асоційований періодичний скелет, або МПС, який забезпечує жорсткість і форму та допомагає регулювати сигнали, що передаються від одного нейрона до наступного, і підтримувати загальну функцію клітин. «МПС бере участь майже у всіх нейронних функціях», — каже нейробіолог Колумбійського університету Віктор Макаррон-Паласіос, який нещодавно повідомив разом з колегами, що певний білок, паралемін-1, відповідає за організацію складної структури МПС.

Інші клітинні структури також виявляються складнішими, ніж здавалося. На початку 2025 року біофізик Меліке Лакадамялі з Пенсільванського університету та колеги виявили, що органели, які називаються лізосомами, чия підручникова роль полягає в розщепленні відходів у клітинах, можуть мати різні комбінації білків на своїх поверхнях. Це, ймовірно, пов'язано з додатковими функціями, які мають специфічні лізосоми, такими як відчуття поживних речовин та відновлення пошкоджених мембран.