Революційний мікроскоп дозволяє побачити 3D-орієнтацію молекул у клітинах

Інноваційний прорив у галузі мікроскопії дозволив науковцям зазирнути глибше у молекулярний світ живих клітин. Дослідники з Морської біологічної лабораторії (MBL) розробили унікальний гібридний мікроскоп, який поєднує технологію поляризованої флуоресценції з двопроменевим світлопольним мікроскопом (diSPIM), що відкриває безпрецедентні можливості для спостереження за поведінкою молекул.

Новий інструмент вирішує давню проблему в галузі клітинної біології — одночасне спостереження за просторовою орієнтацією та положенням молекул у клітинах. За словами першого автора дослідження Талона Чандлера з CZ Biohub San Francisco, це особливо важливо, оскільки білки змінюють свою тривимірну орієнтацію у відповідь на зміни навколишнього середовища, що є ключовим механізмом їхньої взаємодії з іншими молекулами.

Особливо вражаючим є застосування нового мікроскопа для вивчення веретена поділу клітини — структури, яка довгий час залишалася складною для дослідження. Рудольф Ольденбург, старший науковий співробітник MBL, пояснює, що традиційна мікроскопія, включаючи поляризоване світло, дозволяла ефективно вивчати веретено лише коли воно розташовувалося перпендикулярно до напрямку спостереження. Новий інструмент долає це обмеження, дозволяючи отримувати чітке зображення незалежно від кута нахилу структури.

Створення цього революційного мікроскопа стало можливим завдяки плідній співпраці між провідними фахівцями в галузі мікроскопії. Ідея виникла у 2016 році, коли Харі Шрофф з HHMI Janelia, який на той час працював у Національних інститутах здоров'я (NIH), зустрівся з іншими дослідниками в MBL. Шрофф працював із власноруч розробленим мікроскопом diSPIM, створеним у співпраці з Абхішеком Кумаром.

Особливістю diSPIM є наявність двох шляхів візуалізації, які перетинаються під прямим кутом на зразку, що дозволяє освітлювати та візуалізувати зразок з обох перспектив. Це вирішує проблему поганої роздільної здатності по глибині, яка характерна для одиночного спостереження, та забезпечує кращий контроль над поляризацією світла.

Команда дослідників, до якої долучився Шалін Мехта, оснастила diSPIM рідкими кристалами, що дозволило змінювати напрямок вхідної поляризації. Значний внесок у розробку алгоритмів реконструкції зображень зробили Талон Чандлер та Мін Го, які працювали над створенням повних тривимірних реконструкцій молекулярної орієнтації та положення.

Наразі команда працює над вдосконаленням системи, прагнучи збільшити її швидкодію для спостереження за змінами положення та орієнтації структур у живих зразках у реальному часі. Крім того, дослідники сподіваються, що розробка нових флуоресцентних зондів дозволить розширити спектр біологічних структур, які можна досліджувати за допомогою їхньої системи.

Результати цього революційного дослідження опубліковані в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences, відкриваючи нові горизонти для розуміння молекулярних механізмів життя.