Wizualizacja wnętrza komórek w wcześniej niemożliwych rozdzielczościach zapewnia żywy wgląd w ich działanie

Całe życie jest zbudowana z komórek kilka wielkości mniejszy od ziarnka soli. Ich pozornie proste struktury maskują skomplikowaną i złożoną aktywność molekularną, która umożliwia im wykonywanie funkcji podtrzymujących życie. Naukowcy zaczynają być w stanie wizualizować tę aktywność na poziomie szczegółowości, jakiego nie byli w stanie wcześniej.

Struktury biologiczne można wizualizować, zaczynając od poziomu całego organizmu i pracując w dół, lub zaczynając od poziomu pojedynczych atomów i pracując w górę. Wystąpiła jednak luka w rozdzielczości między najmniejszymi strukturami komórki, takimi jak cytoszkielet podtrzymujący kształt komórki, a jej największymi strukturami, takimi jak rybosomy które wytwarzają białka w komórkach.

Przez analogię do Google Maps, chociaż naukowcy byli w stanie zobaczyć całe miasta i poszczególne domy, nie mieli narzędzi, aby zobaczyć, jak domy łączą się, tworząc dzielnice. Widzenie tych szczegółów na poziomie sąsiedztwa jest niezbędne do zrozumienia, w jaki sposób poszczególne komponenty współpracują ze sobą w środowisku komórki.

Nowe narzędzia stopniowo wypełniają tę lukę. I ciągły rozwój jednej konkretnej techniki, tomografia krioelektronowa lub krio-ET, ma potencjał, aby pogłębić sposób, w jaki naukowcy badają i rozumieją, jak komórki funkcjonują w zdrowiu i chorobie.

Jak poprzedni redaktor naczelny nauka magazyn i jako badacz który przez dziesięciolecia badał trudne do wizualizacji duże struktury białkowe, byłem świadkiem zdumiewającego postępu w rozwoju narzędzi, które mogą szczegółowo określać struktury biologiczne. Tak jak łatwiej jest zrozumieć, jak działają skomplikowane systemy, gdy wiesz, jak wyglądają, zrozumienie, w jaki sposób struktury biologiczne pasują do siebie w komórce, jest kluczem do zrozumienia funkcjonowania organizmów.

Krótka historia mikroskopii

W XVIII wieku mikroskopia świetlna po raz pierwszy ujawnił istnienie komórek. W XX wieku mikroskopia elektronowa oferowała jeszcze więcej szczegółów, ujawniając skomplikowane struktury w komórkach, w tym organelli, takich jak retikulum endoplazmatyczne, złożona sieć błon, które odgrywają kluczową rolę w syntezie i transporcie białek.

Od lat czterdziestych do sześćdziesiątych XX wieku biochemicy pracowali nad rozdzieleniem komórek na ich składniki molekularne i nauczeniem się, jak określać struktury 1940D białek i innych makrocząsteczek z rozdzielczością atomową lub zbliżoną. Po raz pierwszy dokonano tego za pomocą krystalografii rentgenowskiej w celu wizualizacji struktury mioglobina, białko dostarczające tlen do mięśni.

W ciągu ostatniej dekady techniki oparte na magnetyczny rezonans jądrowy, który tworzy obrazy na podstawie interakcji atomów w polu magnetycznym, oraz mikroskopia krioelektronowa gwałtownie zwiększyły liczbę i złożoność struktur, które naukowcy mogą wizualizować.

Czym są Cryo-EM i Cryo-ET?

Mikroskopia krioelektronowa lub krio-EM, wykorzystuje kamerę do wykrywania, w jaki sposób wiązka elektronów jest odchylana, gdy elektrony przechodzą przez próbkę, aby zwizualizować struktury na poziomie molekularnym. Próbki są szybko zamrażane, aby chronić je przed uszkodzeniem przez promieniowanie. Szczegółowe modele struktury będącej przedmiotem zainteresowania są tworzone poprzez wykonanie wielu zdjęć poszczególnych cząsteczek i uśrednienie ich w strukturę 3D.

Cryo-ET dzieli podobne komponenty z krio-EM, ale używa innych metod. Ponieważ większość komórek jest zbyt gruba, aby można je było wyraźnie zobrazować, obszar będący przedmiotem zainteresowania w komórce jest najpierw pocieniany za pomocą wiązki jonów. Próbka jest następnie przechylana, aby zrobić jej wiele zdjęć pod różnymi kątami, analogicznie do tomografii komputerowej części ciała (chociaż w tym przypadku przechylony jest sam system obrazowania, a nie pacjent). Obrazy te są następnie łączone przez komputer w celu uzyskania trójwymiarowego obrazu części komórki.

Rozdzielczość tego obrazu jest na tyle wysoka, że ​​naukowcy (lub programy komputerowe) mogą zidentyfikować poszczególne elementy różnych struktur w komórce. Naukowcy wykorzystali to podejście, na przykład, aby pokazać, w jaki sposób białka poruszają się i ulegają degradacji wewnątrz komórka glonów.

Wiele czynności, które kiedyś naukowcy musieli wykonać ręcznie, aby określić struktury komórek, jest teraz zautomatyzowanych, co pozwala naukowcom identyfikować nowe struktury ze znacznie większą szybkością. Na przykład połączenie krio-EM z programami sztucznej inteligencji, takimi jak AlfaFold może ułatwić interpretację obrazu poprzez przewidywanie struktur białek, które nie zostały jeszcze scharakteryzowane.

Zrozumienie struktury i funkcji komórki

W miarę doskonalenia metod obrazowania i przepływów pracy naukowcy będą w stanie stawić czoła niektórym kluczowym zagadnieniom biologii komórki za pomocą różnych strategii.

Pierwszym krokiem jest podjęcie decyzji, które komórki i które regiony w tych komórkach mają być badane. Inna technika wizualizacji tzw skorelowana mikroskopia świetlna i elektronowa, czyli CLEM, wykorzystuje znaczniki fluorescencyjne, aby pomóc zlokalizować regiony, w których w żywych komórkach zachodzą interesujące procesy.

Porównanie różnica genetyczna między komórkami może dostarczyć dodatkowych informacji. Naukowcy mogą przyjrzeć się komórkom, które nie są w stanie pełnić określonych funkcji i zobaczyć, jak odbija się to na ich strukturze. Takie podejście może również pomóc naukowcom w badaniu interakcji między komórkami.

Cryo-ET prawdopodobnie jeszcze przez jakiś czas pozostanie specjalistycznym narzędziem. Jednak dalszy rozwój technologiczny i rosnąca dostępność umożliwi społeczności naukowej zbadanie związku między strukturą komórkową a funkcją na wcześniej niedostępnych poziomach szczegółowości. Spodziewam się zobaczyć nowe teorie na temat tego, jak rozumiemy komórki, przechodząc od zdezorganizowanych worków cząsteczek do misternie zorganizowanych i dynamicznych systemów.

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.

Kredytowych Image: Nanografie, CC BY-SA

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://singularityhub.com/2023/01/09/visualizing-the-inside-of-cells-at-previously-impossible-resolutions-provides-vivid-insights-into-how-they-work/