Die Visualisierung des Inneren von Zellen mit bisher unmöglichen Auflösungen bietet lebendige Einblicke in ihre Funktionsweise

Alles Leben ist bestehend aus Zellen mehrere Größenordnungen kleiner als ein Salzkorn. Ihre scheinbar einfach aussehenden Strukturen verbergen die komplizierte und komplexe molekulare Aktivität, die es ihnen ermöglicht, die lebenserhaltenden Funktionen auszuführen. Forscher sind allmählich in der Lage, diese Aktivität in einem Detailgrad zu visualisieren, zu dem sie zuvor nicht in der Lage waren.

Biologische Strukturen können sichtbar gemacht werden, indem entweder auf der Ebene des gesamten Organismus begonnen und nach unten gearbeitet wird oder auf der Ebene einzelner Atome begonnen und nach oben gearbeitet wird. Es gab jedoch eine Auflösungslücke zwischen den kleinsten Strukturen einer Zelle, wie dem Zytoskelett, das die Form der Zelle stützt, und ihren größten Strukturen, wie z Ribosomen die Proteine ​​in Zellen herstellen.

In Analogie zu Google Maps konnten Wissenschaftler zwar ganze Städte und einzelne Häuser sehen, aber sie verfügten nicht über die Werkzeuge, um zu sehen, wie die Häuser zusammenkamen, um Nachbarschaften zu bilden. Das Erkennen dieser Details auf Nachbarschaftsebene ist unerlässlich, um zu verstehen, wie einzelne Komponenten in der Umgebung einer Zelle zusammenarbeiten.

Neue Tools schließen diese Lücke stetig. Und die Weiterentwicklung einer bestimmten Technik, Kryo-Elektronentomographie oder Kryo-ET, hat das Potenzial zu vertiefen, wie Forscher untersuchen und verstehen, wie Zellen bei Gesundheit und Krankheit funktionieren.

Wie der erstere Chefredakteur von Wissenschaft Zeitschrift und als Forscher der jahrzehntelang schwer zu visualisierende große Proteinstrukturen untersucht hat, habe ich erstaunliche Fortschritte bei der Entwicklung von Werkzeugen miterlebt, die biologische Strukturen im Detail bestimmen können. Genauso wie es einfacher wird zu verstehen, wie komplizierte Systeme funktionieren, wenn man weiß, wie sie aussehen, ist das Verständnis, wie biologische Strukturen in einer Zelle zusammenpassen, der Schlüssel zum Verständnis der Funktionsweise von Organismen.

Eine kurze Geschichte der Mikroskopie

Im 17th Jahrhundert, Lichtmikroskop offenbarte zuerst die Existenz von Zellen. Im 20. Jahrhundert bot die Elektronenmikroskopie noch mehr Details und enthüllte die ausgeklügelte Strukturen innerhalb der Zellen, darunter Organellen wie das endoplasmatische Retikulum, ein komplexes Netzwerk von Membranen, die eine Schlüsselrolle bei der Proteinsynthese und dem Transport spielen.

Von den 1940er bis 1960er Jahren arbeiteten Biochemiker daran, Zellen in ihre molekularen Bestandteile zu zerlegen und zu lernen, wie man die 3D-Strukturen von Proteinen und anderen Makromolekülen mit oder nahezu atomarer Auflösung bestimmt. Dies wurde zunächst unter Verwendung von Röntgenkristallographie durchgeführt, um die Struktur von zu visualisieren Myoglobin, ein Protein, das die Muskeln mit Sauerstoff versorgt.

In den letzten zehn Jahren wurden Techniken basierend auf Kernspinresonanz, das Bilder erzeugt, die darauf basieren, wie Atome in einem Magnetfeld interagieren, und Kryo-Elektronenmikroskopie haben die Anzahl und Komplexität der Strukturen, die Wissenschaftler visualisieren können, rapide erhöht.

Was sind Kryo-EM und Kryo-ET?

Kryo-Elektronenmikroskopie oder Kryo-EMverwendet eine Kamera, um zu erkennen, wie ein Elektronenstrahl abgelenkt wird, wenn die Elektronen eine Probe passieren, um Strukturen auf molekularer Ebene sichtbar zu machen. Die Proben werden schnell eingefroren, um sie vor Strahlenschäden zu schützen. Detaillierte Modelle der interessierenden Struktur werden erstellt, indem mehrere Bilder einzelner Moleküle aufgenommen und zu einer 3D-Struktur gemittelt werden.

Kryo-ET teilt ähnliche Komponenten mit Kryo-EM, verwendet jedoch unterschiedliche Methoden. Da die meisten Zellen zu dick sind, um scharf abgebildet zu werden, wird ein interessierender Bereich in einer Zelle zunächst mit einem Ionenstrahl ausgedünnt. Die Probe wird dann geneigt, um mehrere Bilder davon in verschiedenen Winkeln aufzunehmen, analog zu einem CT-Scan eines Körperteils (obwohl in diesem Fall eher das Bildgebungssystem als der Patient geneigt wird). Diese Bilder werden dann von einem Computer kombiniert, um ein 3D-Bild eines Teils der Zelle zu erzeugen.

Die Auflösung dieses Bildes ist hoch genug, dass Forscher (oder Computerprogramme) die einzelnen Bestandteile verschiedener Strukturen in einer Zelle identifizieren können. Forscher haben diesen Ansatz zum Beispiel genutzt, um zu zeigen, wie sich Proteine ​​in einem bewegen und abgebaut werden Algenzelle.

Viele der Schritte, die Forscher früher manuell durchführen mussten, um die Strukturen von Zellen zu bestimmen, werden automatisiert, was es Wissenschaftlern ermöglicht, neue Strukturen mit erheblich höherer Geschwindigkeit zu identifizieren. Zum Beispiel die Kombination von Kryo-EM mit Programmen für künstliche Intelligenz wie AlphaFold kann die Bildinterpretation erleichtern, indem Proteinstrukturen vorhergesagt werden, die noch nicht charakterisiert wurden.

Zellstruktur und -funktion verstehen

Da sich bildgebende Verfahren und Arbeitsabläufe verbessern, werden Forscher in der Lage sein, einige Schlüsselfragen in der Zellbiologie mit unterschiedlichen Strategien anzugehen.

Der erste Schritt besteht darin, zu entscheiden, welche Zellen und welche Regionen innerhalb dieser Zellen untersucht werden sollen. Eine andere Visualisierungstechnik namens korrelierte Licht- und Elektronenmikroskopie oder CLEMverwendet fluoreszierende Tags, um Regionen zu lokalisieren, in denen interessante Prozesse in lebenden Zellen stattfinden.

Vergleich der genetischer Unterschied zwischen Zellen können zusätzliche Erkenntnisse liefern. Wissenschaftler können sich Zellen ansehen, die bestimmte Funktionen nicht ausführen können, und sehen, wie sich dies in ihrer Struktur widerspiegelt. Dieser Ansatz kann Forschern auch dabei helfen, zu untersuchen, wie Zellen miteinander interagieren.

Kryo-ET wird wahrscheinlich noch einige Zeit ein spezialisiertes Werkzeug bleiben. Aber weitere technologische Entwicklungen und eine zunehmende Zugänglichkeit werden es der wissenschaftlichen Gemeinschaft ermöglichen, die Verbindung zwischen zellulärer Struktur und Funktion auf zuvor unzugänglichen Detailebenen zu untersuchen. Ich erwarte neue Theorien darüber, wie wir Zellen verstehen, die von unorganisierten Beuteln mit Molekülen zu kompliziert organisierten und dynamischen Systemen übergehen.

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

Bild-Kredit: Nanografik, CC BY-SA

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• Quelle: https://singularityhub.com/2023/01/09/visualizing-the-inside-of-cells-at-previously-impossible-resolutions-provides-vivid-insights-into-how-they-work/