Vizualizarea interiorului celulelor la rezoluții anterior imposibile oferă perspective vii asupra modului în care funcționează

Toată viața este format din celule mai multe magnitudini mai mic decât un bob de sare. Structurile lor aparent simple maschează activitatea moleculară complexă și complexă care le permite să îndeplinească funcțiile care susțin viața. Cercetătorii încep să fie capabili să vizualizeze această activitate la un nivel de detaliu pe care nu l-au reușit până acum.

Structurile biologice pot fi vizualizate fie pornind de la nivelul întregului organism și lucrând în jos, fie pornind de la nivelul unui singur atom și lucrând în sus. Cu toate acestea, a existat un decalaj de rezoluție între cele mai mici structuri ale unei celule, cum ar fi citoscheletul care susține forma celulei și cele mai mari structuri ale acesteia, cum ar fi ribozomi care produc proteine ​​în celule.

Prin analogie cu Google Maps, deși oamenii de știință au putut să vadă orașe întregi și case individuale, ei nu au avut instrumentele pentru a vedea cum casele s-au reunit pentru a alcătui cartiere. Vederea acestor detalii la nivel de cartier este esențială pentru a putea înțelege modul în care componentele individuale lucrează împreună în mediul unei celule.

Noile instrumente reduc în mod constant acest decalaj. Și dezvoltarea continuă a unei anumite tehnici, tomografie crio-electronică sau crio-ET, are potențialul de a aprofunda modul în care cercetătorii studiază și înțeleg modul în care celulele funcționează în sănătate și boli.

Ca și primul redactor-șef al Ştiinţă revistă și ca a cercetător care a studiat structurile mari de proteine ​​greu de vizualizat de zeci de ani, am asistat la progrese uimitoare în dezvoltarea instrumentelor care pot determina structurile biologice în detaliu. Așa cum devine mai ușor să înțelegeți cât de complicate funcționează sistemele atunci când știți cum arată, înțelegerea modului în care structurile biologice se potrivesc într-o celulă este cheia pentru înțelegerea modului în care funcționează organismele.

O scurtă istorie a microscopiei

În secolul XX, microscopie ușoară a dezvăluit mai întâi existența celulelor. În secolul al XX-lea, microscopia electronică a oferit și mai multe detalii, dezvăluind structuri elaborate în interiorul celulelor, inclusiv organele precum reticulul endoplasmatic, o rețea complexă de membrane care joacă roluri cheie în sinteza și transportul proteinelor.

Din anii 1940 până în anii 1960, biochimiștii au lucrat pentru a separa celulele în componentele lor moleculare și pentru a învăța cum să determine structurile 3D ale proteinelor și ale altor macromolecule la rezoluția atomică sau aproape. Acest lucru a fost făcut mai întâi folosind cristalografia cu raze X pentru a vizualiza structura mioglobina, o proteină care furnizează oxigen mușchilor.

În ultimul deceniu, tehnicile bazate pe rezonanță magnetică nucleară, care produce imagini bazate pe modul în care atomii interacționează într-un câmp magnetic și microscopie crio-electronică au crescut rapid numărul și complexitatea structurilor pe care oamenii de știință le pot vizualiza.

Ce sunt Cryo-EM și Cryo-ET?

Crio-microscopie electronică sau crio-EM, folosește o cameră pentru a detecta modul în care un fascicul de electroni este deviat pe măsură ce electronii trec printr-o probă pentru a vizualiza structurile la nivel molecular. Probele sunt înghețate rapid pentru a le proteja de deteriorarea radiațiilor. Modelele detaliate ale structurii de interes sunt realizate prin luarea mai multor imagini ale moleculelor individuale și media lor într-o structură 3D.

Crio-ET împărtășește componente similare cu cryo-EM, dar utilizează metode diferite. Deoarece cele mai multe celule sunt prea groase pentru a fi fotografiate în mod clar, o regiune de interes dintr-o celulă este mai întâi subțiată prin utilizarea unui fascicul de ioni. Eșantionul este apoi înclinat pentru a face mai multe fotografii ale acesteia în unghiuri diferite, analog cu o scanare CT a unei părți a corpului (deși în acest caz sistemul de imagistică în sine este înclinat, mai degrabă decât pacientul). Aceste imagini sunt apoi combinate de un computer pentru a produce o imagine 3D a unei porțiuni a celulei.

Rezoluția acestei imagini este suficient de mare încât cercetătorii (sau programele de calculator) pot identifica componentele individuale ale diferitelor structuri dintr-o celulă. Cercetătorii au folosit această abordare, de exemplu, pentru a arăta cum proteinele se mișcă și sunt degradate în interiorul unei celula de alge.

Mulți dintre pașii pe care cercetătorii au trebuit să-i facă manual pentru a determina structurile celulelor devin automatizați, permițând oamenilor de știință să identifice noi structuri la viteze mult mai mari. De exemplu, combinarea crio-EM cu programe de inteligență artificială precum AlphaFold poate facilita interpretarea imaginilor prin prezicerea structurilor proteinelor care nu au fost încă caracterizate.

Înțelegerea structurii și funcției celulei

Pe măsură ce metodele de imagistică și fluxurile de lucru se îmbunătățesc, cercetătorii vor fi capabili să abordeze câteva întrebări cheie din biologia celulară cu strategii diferite.

Primul pas este să decideți ce celule și ce regiuni din acele celule să studiați. O altă tehnică de vizualizare numită microscopia luminoasă și electronică corelată sau CLEM, folosește etichete fluorescente pentru a ajuta la localizarea regiunilor în care au loc procese interesante în celulele vii.

Comparând diferența genetică dintre celule poate oferi o perspectivă suplimentară. Oamenii de știință pot privi celulele care nu sunt capabile să îndeplinească anumite funcții și pot vedea cum acest lucru se reflectă în structura lor. Această abordare poate ajuta, de asemenea, cercetătorii să studieze modul în care celulele interacționează între ele.

Cryo-ET este probabil să rămână un instrument specializat pentru ceva timp. Dar evoluțiile tehnologice ulterioare și creșterea accesibilității vor permite comunității științifice să examineze legătura dintre structura și funcționarea celulară la niveluri de detaliu inaccesibile anterior. Anticipez să văd noi teorii despre modul în care înțelegem celulele, trecând de la pungi dezorganizate de molecule la sisteme complicat organizate și dinamice.

Acest articol este republicat de la Conversaţie sub licență Creative Commons. Citeste Articol original.

Credit imagine: Nanografie, CC BY-SA

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Sursa: https://singularityhub.com/2023/01/09/visualizing-the-inside-of-cells-at-previously-impossible-resolutions-provides-vivid-insights-into-how-they-work/