Визуализация внутренней части клеток с ранее невозможным разрешением дает яркое представление о том, как они работают

Вся жизнь состоит из клеток несколько величин меньше, чем крупинка соли. Их, казалось бы, простые на вид структуры маскируют запутанную и сложную молекулярную активность, которая позволяет им выполнять функции, поддерживающие жизнь. Исследователи начинают визуализировать эту деятельность с таким уровнем детализации, которого они раньше не могли.

Биологические структуры можно визуализировать, начав либо с уровня всего организма и продвигаясь вниз, либо начиная с уровня отдельных атомов и продвигаясь вверх. Однако существует разрыв в разрешении между мельчайшими структурами клетки, такими как цитоскелет, который поддерживает форму клетки, и ее самыми большими структурами, такими как рибосомы которые производят белки в клетках.

По аналогии с Google Maps, хотя ученые могли видеть целые города и отдельные дома, у них не было инструментов, чтобы увидеть, как дома объединяются в районы. Наблюдение за этими деталями на уровне соседства необходимо для понимания того, как отдельные компоненты работают вместе в среде клетки.

Новые инструменты неуклонно сокращают этот разрыв. И постоянное развитие одной конкретной техники, криоэлектронная томография или крио-ЭТ, может углубить то, как исследователи изучают и понимают, как клетки функционируют в норме и при болезни.

Как бывший главный редактор Наука журнал и как исследователь который десятилетиями изучал сложные для визуализации большие белковые структуры, я был свидетелем поразительного прогресса в разработке инструментов, которые могут детально определять биологические структуры. Точно так же, как становится легче понять, как работают сложные системы, когда вы знаете, как они выглядят, понимание того, как биологические структуры сочетаются друг с другом в клетке, является ключом к пониманию того, как функционируют организмы.

Краткая история микроскопии

В XIVXX веке, световая микроскопия впервые выявил существование клеток. В 20-м веке электронная микроскопия позволила получить еще больше деталей, обнаружив сложные структуры внутри клеток, включая такие органеллы, как эндоплазматический ретикулум, сложную сеть мембран, играющих ключевую роль в синтезе и транспорте белка.

С 1940-х по 1960-е годы биохимики работали над разделением клеток на их молекулярные компоненты и научились определять трехмерные структуры белков и других макромолекул с атомным разрешением или близким к нему. Впервые это было сделано с помощью рентгеновской кристаллографии для визуализации структуры миоглобина, белок, который снабжает кислородом мышцы.

За последнее десятилетие методы, основанные на ядерный магнитный резонанс, который создает изображения на основе того, как атомы взаимодействуют в магнитном поле, и криоэлектронная микроскопия быстро увеличили количество и сложность структур, которые ученые могут визуализировать.

Что такое Крио-ЭМ и Крио-ЭТ?

Криоэлектронная микроскопия или крио-ЭМ, использует камеру, чтобы определить, как пучок электронов отклоняется, когда электроны проходят через образец, чтобы визуализировать структуры на молекулярном уровне. Образцы быстро замораживают, чтобы защитить их от радиационного повреждения. Подробные модели интересующей структуры создаются путем получения нескольких изображений отдельных молекул и их усреднения в трехмерную структуру.

Крио-ЭТ имеет те же компоненты, что и крио-ЭМ, но использует разные методы. Поскольку большинство клеток слишком толстые, чтобы их можно было четко отобразить, интересующая область клетки сначала истончается с помощью ионного пучка. Затем образец наклоняют, чтобы сделать несколько снимков под разными углами, аналогично компьютерной томографии части тела (хотя в этом случае наклоняется сама система визуализации, а не пациент). Эти изображения затем объединяются компьютером для создания трехмерного изображения части клетки.

Разрешение этого изображения достаточно велико, чтобы исследователи (или компьютерные программы) могли идентифицировать отдельные компоненты различных структур клетки. Исследователи использовали этот подход, например, чтобы показать, как белки перемещаются и деградируют внутри водорослевая клетка.

Многие шаги, которые исследователи когда-то должны были выполнять вручную для определения структуры клеток, становятся автоматизированными, что позволяет ученым идентифицировать новые структуры с гораздо более высокой скоростью. Например, сочетание крио-ЭМ с программами искусственного интеллекта, такими как AlphaFold может облегчить интерпретацию изображений, предсказывая структуры белков, которые еще не были охарактеризованы.

Понимание клеточной структуры и функции

По мере совершенствования методов визуализации и рабочих процессов исследователи смогут решать некоторые ключевые вопросы клеточной биологии с помощью различных стратегий.

Первый шаг — решить, какие клетки и какие области внутри этих клеток следует изучать. Другой метод визуализации называется коррелированная световая и электронная микроскопия, или CLEM, использует флуоресцентные метки, чтобы помочь найти области, где в живых клетках происходят интересные процессы.

Сравнение генетическая разница между клетками может дать дополнительную информацию. Ученые могут посмотреть на клетки, которые не могут выполнять определенные функции, и увидеть, как это отражается на их структуре. Этот подход также может помочь исследователям изучить, как клетки взаимодействуют друг с другом.

Cryo-ET, вероятно, еще какое-то время останется специализированным инструментом. Но дальнейшие технологические разработки и растущая доступность позволят научному сообществу изучить связь между клеточной структурой и функцией на ранее недоступных уровнях детализации. Я ожидаю появления новых теорий о том, как мы понимаем клетки, переходя от неорганизованных пакетов молекул к сложно организованным и динамичным системам.

Эта статья переиздана из Беседа под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.

Изображение Фото: Нанографика, CC BY-SA

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://singularityhub.com/2023/01/09/visualizing-the-inside-of-cells-at-previously-impossible-resolutions-provides-vivid-insights-into-how-they-work/