Революционная микроскопия раскрывает беспрецедентные детали клеток в режиме реального времени

• Ученые разрабатывают новый микроскоп, который может отображать субклеточную динамику в многоклеточных организмах. 
• Для этого они объединили методы решетчатой световой микроскопии и адаптивной оптики. 
• Они смогли наблюдать за поведением органелл в процессе их формирования внутри клеток в режиме реального времени. 

В 1665 году Роберт Гук использовал микроскоп, чтобы рассмотреть небольшой кусочек пробки, и обнаружил небольшие блоки, которые он назвал «клетками». С тех пор многие новаторские умы предприняли бесчисленные усилия, чтобы лучше понять эти строительные блоки жизни.

Теперь исследователи из Гарвардской медицинской школы и Медицинского института Говарда Хьюза разработали усовершенствованный микроскоп, который может захватывать исключительные детали, включая трехмерные изображения и видео живой клетки.

Разрешение микроскопа позволяет отображать субклеточную динамику в многоклеточных организмах, например динамику везикул (микроскопических пузырьков), которые транспортируют молекулярный груз через клетки.

Задачи

На протяжении более трех столетий исследователи использовали микроскопы для наблюдения за клетками. На данный момент лучшие визуализации были получены на клетках, изолированных на предметных стеклах. Однако наблюдение за клетками многоклеточных организмов в режиме реального времени остается гораздо более сложной задачей.

Большую часть времени клетки-мишени окружены молекулярными структурами или тканями, которые мешают лучу света, входящему в объектив микроскопа и обратному, размывая важные детали. Использование мощного луча не является идеальным решением, поскольку может частично повредить/исказить ткани и другие молекулярные структуры.

И как же они это сделали?

Чтобы справиться с этими проблемами, исследователи объединили 2 метода –

1. Решеточная светолистовая микроскопия это увеличивает скорость получения изображений и одновременно уменьшает повреждение клеток, вызванное фототоксичностью.
2. Адаптивная оптика это уменьшает искажения входящего волнового фронта за счет активного формирования зеркала. Обычно он используется в астрономических телескопах.

В решетчатой световой микроскопии структурированный световой лист используется для возбуждения флуоресценции в последовательных плоскостях образца. В результате создается последовательность трехмерных изображений, дающих представление о динамических биологических процессах.

В то время как адаптивная оптика функционирует, анализируя искажения волнового фронта и компенсируя их с помощью инструмента, который исправляет эти ошибки, такого как матрица жидких кристаллов или деформируемое зеркало.

Упрощенная схема микроскопа | С разрешения исследователей

Они применили эти принципы в области микроскопии с помощью двухфотонного лазера, создающего адаптивную оптическую систему. Когда решетчатый световой лист проникает в многоклеточный организм, эта установка поддерживает тонкое освещение листа, создавая изображения клеток-мишеней без искажений.

Ссылка:ScienceMag | doi:10.1126/science.aaq1392 | Гарвардский университет 

Затем они проверили работу этого микроскопа на различных биологических образцах и разработали важные инструменты, которые эффективно визуализируют информацию. Сюда входят полностью интерактивные 3D-видео.

Результаты

Раковая клетка | Фото:Рик Гроло и Кевин Цзян

Как вы уже могли догадаться, результаты были весьма впечатляющими. На изображении отчетливо видна раковая клетка (показана зеленым цветом), пробивающаяся сквозь стенку кровеносного сосуда (фиолетового цвета). На изображении ниже показаны клетки глаза рыбы данио в 3D.

Клетки глаза рыбки данио | Авторы и права: Лю и др.

Исследователи смогли визуализировать (в режиме реального времени) поведение органелл, когда они формируют себя внутри клеток. Фактически, они уловили околомолекулярные детали рецептор-опосредованного эндоцитоза – процесса, при котором клетки поглощают гормоны, метаболиты и другие белки.

Что дальше?



Читайте:Просвечивающий электронный микроскоп теперь может видеть наночастицы в 4D

Сейчас исследователи работают над тем, чтобы сделать эту технологию простой и менее дорогой. Нынешняя система умещается на столе длиной 3 метра. Следующая версия будет компактной и доступной. Кроме того, первый микроскоп будет установлен в исследовательском кампусе Джанелия, где его смогут использовать другие ученые.



Прогнозируйте свою продолжительность жизни с помощью искусственного интеллекта, используя данные вашего см… Беспилотные автомобили теперь перемещаются без 3D-карт