以前は不可能だった解像度で細胞の内部を視覚化することで、細胞がどのように機能するかについての鮮明な洞察が得られます

すべての人生は 細胞でできている いくつかの大きさ 塩粒よりも小さい. それらの一見単純に見える構造は、生命を維持する機能を実行することを可能にする複雑で複雑な分子活動を覆い隠しています. 研究者は、この活動をこれまでにないほど詳細に視覚化できるようになり始めています。

生物学的構造は、生物全体のレベルから開始して下に進むか、単一の原子のレベルから開始して上に進むかのいずれかによって視覚化できます。 ただし、細胞の形状を支える細胞骨格などの細胞の最小構造と、 リボソーム 細胞内でタンパク質を作るもの。

Google マップに例えると、科学者は都市全体や個々の家を見ることはできましたが、家がどのように集まって近隣を形成しているかを確認するツールは持っていませんでした。 これらの近隣レベルの詳細を確認することは、個々のコンポーネントが細胞の環境でどのように連携するかを理解するために不可欠です。

新しいツールは、このギャップを着実に埋めています。 そして、ある特定の技術の継続的な開発、 クライオ電子断層撮影法、またはクライオ ET、研究者が健康と病気で細胞がどのように機能するかを研究し、理解する方法を深める可能性があります。

前者として の編集長 科学 マガジン と 研究者 視覚化するのが難しい大きなタンパク質構造を何十年も研究してきた私は、生物学的構造を詳細に決定できるツールの開発における驚くべき進歩を目の当たりにしてきました. 複雑なシステムがどのように機能するかを理解するのは、それらがどのように見えるかを理解することで容易になります.

顕微鏡の歴史

17th世紀では、 光学顕微鏡 細胞の存在を初めて明らかにした。 20 世紀になると、電子顕微鏡がさらに詳細な情報を提供し、 細胞内の精巧な構造、タンパク質の合成と輸送で重要な役割を果たす膜の複雑なネットワークである小胞体のようなオルガネラを含みます。

1940 年代から 1960 年代にかけて、生化学者は細胞を分子成分に分離し、タンパク質やその他の高分子の 3D 構造を原子分解能またはそれに近い分解能で決定する方法を学びました。 これは、X線結晶構造解析を使用して最初に行われ、 ミオグロビン、筋肉に酸素を供給するタンパク質。

過去 XNUMX 年間にわたり、 核磁気共鳴、磁場内で原子がどのように相互作用するかに基づいて画像を生成します。 低温電子顕微鏡法 科学者が視覚化できる構造の数と複雑さが急速に増加しました。

Cryo-EM および Cryo-ET とは

クライオ電子顕微鏡法、またはクライオ EM、カメラを使用して、電子がサンプルを通過するときに電子ビームがどのように偏向されるかを検出して、分子レベルで構造を視覚化します。 サンプルは、放射線による損傷から保護するために急速冷凍されます。 関心のある構造の詳細なモデルは、個々の分子の複数の画像を取得し、それらを 3D 構造に平均化することによって作成されます。

クライオET クライオ EM と同様のコンポーネントを共有しますが、異なる方法を使用します。 ほとんどの細胞は厚すぎてはっきりと画像化できないため、最初に細胞内の関心領域をイオンビームで薄くします。 次に、サンプルを傾けて、さまざまな角度で複数の写真を撮影します。これは、体の一部の CT スキャンに似ています (ただし、この場合、患者ではなく、イメージング システム自体が傾いています)。 次に、これらの画像をコンピューターで組み合わせて、細胞の一部の 3D 画像を作成します。

この画像の解像度は、研究者 (またはコンピューター プログラム) が細胞内のさまざまな構造の個々のコンポーネントを識別するのに十分なほど高いです。 研究者は、たとえば、タンパク質が体内でどのように移動し、分解されるかを示すために、このアプローチを使用しています。 藻類細胞.

細胞の構造を決定するために研究者がかつて手動で行わなければならなかったステップの多くは自動化されており、科学者は非常に高速に新しい構造を特定できるようになっています。 たとえば、クライオ EM を次のような人工知能プログラムと組み合わせます。 アルファフォールド まだ特徴付けられていないタンパク質構造を予測することにより、画像の解釈を容易にすることができます。

細胞の構造と機能を理解する

イメージング手法とワークフローが改善されるにつれて、研究者は細胞生物学のいくつかの重要な問題にさまざまな戦略で取り組むことができるようになります。

最初のステップは、どの細胞と、それらの細胞内のどの領域を研究するかを決定することです。 と呼ばれる別の視覚化手法 相関光および電子顕微鏡、または CLEM、蛍光タグを使用して、生細胞で興味深いプロセスが行われている領域を特定するのに役立ちます。

を比較する 細胞間の遺伝的差異 追加の洞察を提供できます。 科学者は、特定の機能を実行できない細胞を見て、これがどのように構造に反映されているかを確認できます。 このアプローチは、研究者が細胞同士がどのように相互作用するかを研究するのにも役立ちます。

Cryo-ET はしばらくの間、専門的なツールであり続ける可能性があります。 しかし、さらなる技術開発とアクセシビリティの向上により、科学界は、以前はアクセスできなかった詳細レベルで細胞の構造と機能の間のリンクを調べることができるようになります. 私たちが細胞をどのように理解しているかについての新しい理論が見られることを期待しています.

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画像のクレジット： ナノグラフィクス, のCC BY-SA

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