Solujen sisäpuolen visualisointi aiemmin mahdottomilla resoluutioilla antaa eläviä näkemyksiä niiden toiminnasta

Kaikki elämä on koostuu soluista useita suuruusluokkia pienempi kuin suolanjyvä. Niiden näennäisen yksinkertaisen näköiset rakenteet peittävät monimutkaisen ja monimutkaisen molekyylitoiminnan, jonka ansiosta ne voivat suorittaa elämää ylläpitäviä toimintoja. Tutkijat alkavat pystyä visualisoimaan tätä toimintaa niin yksityiskohtaisesti, kuin he eivät ole pystyneet aiemmin.

Biologiset rakenteet voidaan visualisoida joko aloittamalla koko organismin tasolta ja alaspäin tai aloittamalla yksittäisten atomien tasolta ja työstämällä. Solun pienimpien rakenteiden, kuten solun muotoa tukevan sytoskeleton, ja sen suurimpien rakenteiden, kuten solun, välillä on kuitenkin ollut erottelukyky. ribosomit jotka tekevät proteiineja soluissa.

Google Mapsin analogisesti, vaikka tiedemiehet ovat pystyneet näkemään kokonaisia ​​kaupunkeja ja yksittäisiä taloja, heillä ei ollut työkaluja nähdäkseen, kuinka talot muodostivat kaupunginosia. Näiden naapuritason yksityiskohtien näkeminen on välttämätöntä, jotta voidaan ymmärtää, kuinka yksittäiset komponentit toimivat yhdessä solun ympäristössä.

Uudet työkalut kurovat jatkuvasti umpeen tätä kuilua. Ja yhden tietyn tekniikan jatkuva kehittäminen, kryoelektronitomografia tai kryo-ET, voi syventää sitä, miten tutkijat tutkivat ja ymmärtävät solujen toimintaa terveydessä ja sairauksissa.

Kuten ensimmäinen päätoimittaja tiede aikakauslehti ja kuten tutkija joka on tutkinut vaikeasti visualisoitavia suuria proteiinirakenteita vuosikymmeniä, olen nähnyt hämmästyttävää edistystä sellaisten työkalujen kehittämisessä, joilla voidaan määrittää biologiset rakenteet yksityiskohtaisesti. Aivan kuten monimutkaisten järjestelmien toiminnan ymmärtäminen on helpompaa, kun tietää, miltä ne näyttävät, biologisten rakenteiden yhteensopivuuden ymmärtäminen solussa on avainasemassa organismien toiminnan ymmärtämisessä.

Lyhyt mikroskoopin historia

Vuosisadalla, valomikroskopia paljasti ensin solujen olemassaolon. 20-luvulla elektronimikroskopia tarjosi vielä enemmän yksityiskohtia ja paljasti kehittää solujen sisäisiä rakenteita, mukaan lukien organellit, kuten endoplasminen verkkokalvo, monimutkainen kalvoverkosto, jolla on keskeinen rooli proteiinisynteesissä ja -kuljetuksessa.

1940-luvulta 1960-luvulle biokemistit työskentelivät erottaakseen solut molekyylikomponentteihinsa ja oppiakseen määrittämään proteiinien ja muiden makromolekyylien 3D-rakenteet atomiresoluutiolla tai lähellä sitä. Tämä tehtiin ensin röntgenkristallografialla rakenteen visualisoimiseksi myoglobiini, proteiini, joka toimittaa happea lihaksille.

Viime vuosikymmenen aikana tekniikat perustuvat Ydinmagneettinen resonanssi, joka tuottaa kuvia sen perusteella, miten atomit ovat vuorovaikutuksessa magneettikentässä, ja kryoelektronimikroskopia ovat nopeasti lisänneet tutkijoiden visualisoimien rakenteiden määrää ja monimutkaisuutta.

Mitä ovat Cryo-EM ja Cryo-ET?

Kryoelektronimikroskoopia tai kryo-EM, käyttää kameraa havaitsemaan, kuinka elektronisäde taittuu elektronien kulkiessa näytteen läpi visualisoidakseen rakenteita molekyylitasolla. Näytteet pakastetaan nopeasti niiden suojaamiseksi säteilyvaurioilta. Tarkkoja malleja kiinnostavasta rakenteesta tehdään ottamalla useita kuvia yksittäisistä molekyyleistä ja laskemalla niistä keskiarvo 3D-rakenteeksi.

Cryo-ET jakaa samanlaisia ​​komponentteja kuin cryo-EM, mutta käyttää erilaisia ​​menetelmiä. Koska useimmat solut ovat liian paksuja selkeästi kuvattaviksi, solun kiinnostavaa aluetta ohennetaan ensin ionisäteellä. Näytettä kallistetaan sitten useiden kuvien ottamiseksi siitä eri kulmissa, mikä on analogista kehon osan CT-skannauksen kanssa (vaikka tässä tapauksessa itse kuvantamisjärjestelmä on kallistettu potilaan sijaan). Nämä kuvat yhdistetään sitten tietokoneella 3D-kuvan tuottamiseksi solun osasta.

Tämän kuvan resoluutio on riittävän korkea, jotta tutkijat (tai tietokoneohjelmat) voivat tunnistaa solun eri rakenteiden yksittäiset komponentit. Tutkijat ovat käyttäneet tätä lähestymistapaa esimerkiksi osoittamaan, kuinka proteiinit liikkuvat ja hajoavat solun sisällä leväsolu.

Monet vaiheet, jotka tutkijoiden täytyi tehdä manuaalisesti solujen rakenteiden määrittämiseksi, ovat automatisoitumassa, jolloin tutkijat voivat tunnistaa uusia rakenteita huomattavasti nopeammin. Esimerkiksi kryo-EM:n yhdistäminen tekoälyohjelmiin, kuten AlphaFold voi helpottaa kuvan tulkintaa ennustamalla proteiinirakenteita, joita ei ole vielä karakterisoitu.

Solun rakenteen ja toiminnan ymmärtäminen

Kuvausmenetelmien ja työnkulkujen kehittyessä tutkijat pystyvät käsittelemään joitain solubiologian avainkysymyksiä eri strategioilla.

Ensimmäinen askel on päättää, mitä soluja ja mitä alueita näiden solujen sisällä tutkitaan. Toinen visualisointitekniikka on nimeltään korreloitu valo- ja elektronimikroskopia tai CLEM, käyttää fluoresoivia merkkejä auttaakseen paikallistamaan alueita, joilla elävissä soluissa tapahtuu mielenkiintoisia prosesseja.

Vertailemalla geneettinen ero solujen välillä voi tarjota lisätietoa. Tutkijat voivat tarkastella soluja, jotka eivät pysty suorittamaan tiettyjä toimintoja, ja nähdä, kuinka tämä näkyy niiden rakenteessa. Tämä lähestymistapa voi myös auttaa tutkijoita tutkimaan, kuinka solut ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa.

Cryo-ET jää todennäköisesti erikoistyökaluksi jonkin aikaa. Mutta teknologinen kehitys ja saavutettavuuden lisääminen antavat tiedeyhteisölle mahdollisuuden tutkia solurakenteen ja toiminnan välistä yhteyttä aiemmin saavuttamattomilla yksityiskohdilla. Odotan näkeväni uusia teorioita siitä, kuinka ymmärrämme soluja, siirtyessä epäjärjestyneistä molekyylipusseista monimutkaisesti organisoituihin ja dynaamisiin järjestelmiin.

Tämä artikkeli julkaistaan ​​uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.

Kuva pistetilanne: Nanografia, CC BY-SA

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://singularityhub.com/2023/01/09/visualizing-the-inside-of-cells-at-previously-impossible-resolutions-provides-vivid-insights-into-how-they-work/