Η οπτικοποίηση του εσωτερικού των κυττάρων σε προηγουμένως αδύνατες αναλύσεις παρέχει ζωντανές πληροφορίες για τον τρόπο λειτουργίας τους

Όλη η ζωή είναι αποτελείται από κύτταρα πολλών μεγεθών μικρότερο από έναν κόκκο αλατιού. Οι φαινομενικά απλές δομές τους καλύπτουν την περίπλοκη και πολύπλοκη μοριακή δραστηριότητα που τους επιτρέπει να εκτελούν τις λειτουργίες που συντηρούν τη ζωή. Οι ερευνητές αρχίζουν να είναι σε θέση να οπτικοποιούν αυτή τη δραστηριότητα σε ένα επίπεδο λεπτομέρειας που δεν μπορούσαν να το κάνουν πριν.

Οι βιολογικές δομές μπορούν να οπτικοποιηθούν είτε ξεκινώντας από το επίπεδο ολόκληρου του οργανισμού και κατεβάζοντας, είτε ξεκινώντας από το επίπεδο μεμονωμένων ατόμων και φτάνοντας προς τα πάνω. Ωστόσο, υπήρξε ένα χάσμα ανάλυσης μεταξύ των μικρότερων δομών ενός κυττάρου, όπως ο κυτταροσκελετός που υποστηρίζει το σχήμα του κυττάρου, και οι μεγαλύτερες δομές του, όπως το ριβοσώματα που παράγουν πρωτεΐνες στα κύτταρα.

Κατ' αναλογία των Χαρτών Google, ενώ οι επιστήμονες μπόρεσαν να δουν ολόκληρες πόλεις και μεμονωμένα σπίτια, δεν είχαν τα εργαλεία για να δουν πώς ενώθηκαν τα σπίτια για να δημιουργήσουν γειτονιές. Η προβολή αυτών των λεπτομερειών σε επίπεδο γειτονιάς είναι απαραίτητη για να μπορέσουμε να κατανοήσουμε πώς συνεργάζονται μεμονωμένα στοιχεία στο περιβάλλον ενός κυττάρου.

Τα νέα εργαλεία γεφυρώνουν σταθερά αυτό το χάσμα. Και η συνεχής ανάπτυξη μιας συγκεκριμένης τεχνικής, κρυοηλεκτρονική τομογραφία ή κρυο-ΕΤ, έχει τη δυνατότητα να εμβαθύνει τον τρόπο με τον οποίο οι ερευνητές μελετούν και κατανοούν πώς λειτουργούν τα κύτταρα στην υγεία και τις ασθένειες.

Όπως ο πρώην αρχισυντάκτης του Επιστήμη περιοδικό και ως α ερευνητής που έχει μελετήσει δύσκολα ορατές μεγάλες πρωτεϊνικές δομές για δεκαετίες, έχω δει εκπληκτική πρόοδο στην ανάπτυξη εργαλείων που μπορούν να προσδιορίσουν τις βιολογικές δομές λεπτομερώς. Ακριβώς όπως γίνεται ευκολότερο να κατανοήσουμε πώς λειτουργούν τα περίπλοκα συστήματα όταν ξέρετε πώς μοιάζουν, η κατανόηση του πώς οι βιολογικές δομές ταιριάζουν μεταξύ τους σε ένα κύτταρο είναι το κλειδί για την κατανόηση του τρόπου λειτουργίας των οργανισμών.

Μια σύντομη ιστορία της μικροσκοπίας

Τον 17ο αιώνα, μικροσκοπία φωτός αποκάλυψε για πρώτη φορά την ύπαρξη κυττάρων. Τον 20ο αιώνα, η ηλεκτρονική μικροσκοπία πρόσφερε ακόμη μεγαλύτερη λεπτομέρεια, αποκαλύπτοντας το περίτεχνες δομές μέσα στα κύτταρα, συμπεριλαμβανομένων οργανιδίων όπως το ενδοπλασματικό δίκτυο, ένα πολύπλοκο δίκτυο μεμβρανών που διαδραματίζουν βασικούς ρόλους στη σύνθεση και τη μεταφορά πρωτεϊνών.

Από τη δεκαετία του 1940 έως τη δεκαετία του 1960, οι βιοχημικοί εργάστηκαν για να διαχωρίσουν τα κύτταρα στα μοριακά τους συστατικά και να μάθουν πώς να προσδιορίζουν τις τρισδιάστατες δομές των πρωτεϊνών και άλλων μακρομορίων σε ή κοντά στην ατομική ανάλυση. Αυτό έγινε αρχικά χρησιμοποιώντας κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ για να οπτικοποιηθεί η δομή του μυοσφαιρίνη, μια πρωτεΐνη που παρέχει οξυγόνο στους μύες.

Την τελευταία δεκαετία, οι τεχνικές που βασίζονται σε πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, το οποίο παράγει εικόνες με βάση τον τρόπο αλληλεπίδρασης των ατόμων σε ένα μαγνητικό πεδίο και μικροσκοπία κρυο-ηλεκτρονίων έχουν αυξήσει γρήγορα τον αριθμό και την πολυπλοκότητα των δομών που μπορούν να απεικονίσουν οι επιστήμονες.

Τι είναι το Cryo-EM και το Cryo-ET;

Κρυοηλεκτρονική μικροσκοπία ή κρυο-ΕΜ, χρησιμοποιεί μια κάμερα για να ανιχνεύσει πώς μια δέσμη ηλεκτρονίων εκτρέπεται καθώς τα ηλεκτρόνια περνούν μέσα από ένα δείγμα για να οπτικοποιήσουν δομές σε μοριακό επίπεδο. Τα δείγματα καταψύχονται γρήγορα για να προστατεύονται από ζημιές από την ακτινοβολία. Τα λεπτομερή μοντέλα της δομής που μας ενδιαφέρουν κατασκευάζονται με τη λήψη πολλαπλών εικόνων μεμονωμένων μορίων και τον μέσο όρο τους σε μια τρισδιάστατη δομή.

Cryo-ET μοιράζεται παρόμοια συστατικά με το cryo-EM αλλά χρησιμοποιεί διαφορετικές μεθόδους. Επειδή τα περισσότερα κύτταρα είναι πολύ παχιά για να απεικονιστούν καθαρά, μια περιοχή ενδιαφέροντος σε ένα κύτταρο αραιώνεται πρώτα χρησιμοποιώντας μια δέσμη ιόντων. Στη συνέχεια, το δείγμα γέρνει για να τραβήξει πολλαπλές φωτογραφίες του σε διαφορετικές γωνίες, ανάλογες με μια αξονική τομογραφία ενός μέρους του σώματος (αν και σε αυτή την περίπτωση το ίδιο το σύστημα απεικόνισης έχει κλίση, αντί του ασθενούς). Αυτές οι εικόνες στη συνέχεια συνδυάζονται από έναν υπολογιστή για να παράγουν μια τρισδιάστατη εικόνα ενός τμήματος του κελιού.

Η ανάλυση αυτής της εικόνας είναι αρκετά υψηλή ώστε οι ερευνητές (ή τα προγράμματα υπολογιστών) να μπορούν να αναγνωρίσουν τα μεμονωμένα στοιχεία διαφορετικών δομών σε ένα κελί. Οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει αυτήν την προσέγγιση, για παράδειγμα, για να δείξουν πώς οι πρωτεΐνες κινούνται και αποικοδομούνται μέσα σε ένα κύτταρο φυκιών.

Πολλά από τα βήματα που κάποτε έπρεπε να κάνουν οι ερευνητές με το χέρι για να προσδιορίσουν τις δομές των κυττάρων γίνονται αυτοματοποιημένα, επιτρέποντας στους επιστήμονες να εντοπίζουν νέες δομές με πολύ υψηλότερες ταχύτητες. Για παράδειγμα, ο συνδυασμός cryo-EM με προγράμματα τεχνητής νοημοσύνης όπως AlphaFold μπορεί να διευκολύνει την ερμηνεία της εικόνας προβλέποντας πρωτεϊνικές δομές που δεν έχουν ακόμη χαρακτηριστεί.

Κατανόηση της δομής και της λειτουργίας των κυττάρων

Καθώς οι μέθοδοι απεικόνισης και οι ροές εργασίας βελτιώνονται, οι ερευνητές θα είναι σε θέση να αντιμετωπίσουν ορισμένα βασικά ερωτήματα στην κυτταρική βιολογία με διαφορετικές στρατηγικές.

Το πρώτο βήμα είναι να αποφασίσετε ποια κύτταρα και ποιες περιοχές εντός αυτών των κυττάρων θα μελετήσετε. Μια άλλη τεχνική οπτικοποίησης που ονομάζεται συσχετιζόμενη μικροσκοπία φωτός και ηλεκτρονικού ή CLEM, χρησιμοποιεί φθορίζουσες ετικέτες για να βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών όπου λαμβάνουν χώρα ενδιαφέρουσες διεργασίες στα ζωντανά κύτταρα.

Συγκρίνοντας το γενετική διαφορά μεταξύ των κυττάρων μπορεί να προσφέρει πρόσθετη εικόνα. Οι επιστήμονες μπορούν να εξετάσουν κύτταρα που δεν είναι σε θέση να εκτελέσουν συγκεκριμένες λειτουργίες και να δουν πώς αυτό αντανακλάται στη δομή τους. Αυτή η προσέγγιση μπορεί επίσης να βοηθήσει τους ερευνητές να μελετήσουν πώς αλληλεπιδρούν τα κύτταρα μεταξύ τους.

Το Cryo-ET είναι πιθανό να παραμείνει ένα εξειδικευμένο εργαλείο για κάποιο χρονικό διάστημα. Ωστόσο, οι περαιτέρω τεχνολογικές εξελίξεις και η αυξανόμενη προσβασιμότητα θα επιτρέψουν στην επιστημονική κοινότητα να εξετάσει τη σχέση μεταξύ της κυτταρικής δομής και λειτουργίας σε προηγουμένως απρόσιτα επίπεδα λεπτομέρειας. Αναμένω να δω νέες θεωρίες για το πώς κατανοούμε τα κύτταρα, μεταβαίνοντας από αποδιοργανωμένες σακούλες μορίων σε περίπλοκα οργανωμένα και δυναμικά συστήματα.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύθηκε από το Η Συνομιλία υπό την άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.

Image Credit: Νανογραφικά, CC BY-SA

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://singularityhub.com/2023/01/09/visualizing-the-inside-of-cells-at-previously-impossible-resolutions-provides-vivid-insights-into-how-they-work/