Візуалізація внутрішньої частини клітин із раніше неможливими роздільними здатностями дає яскраве уявлення про те, як вони працюють

Все життя є складається з клітин кілька величин менший за крупинку солі. Їхні, здавалося б, прості на вигляд структури маскують заплутану та складну молекулярну активність, яка дозволяє їм виконувати функції, що підтримують життя. Дослідники починають спроможні візуалізувати цю діяльність з таким рівнем деталізації, який їм не вдавалося раніше.

Біологічні структури можна візуалізувати, починаючи або з рівня цілого організму і працюючи вниз, або починаючи з рівня окремих атомів і працюючи вгору. Однак між найменшими структурами клітини, такими як цитоскелет, який підтримує форму клітини, та її найбільшими структурами, такими як рибосоми які утворюють білки в клітинах.

За аналогією з Google Maps, хоча вчені могли бачити цілі міста та окремі будинки, у них не було інструментів, щоб побачити, як будинки об’єднуються, щоб створити квартали. Бачити ці деталі на рівні сусідства важливо для того, щоб зрозуміти, як окремі компоненти працюють разом у середовищі клітини.

Нові інструменти поступово долають цю прогалину. І постійний розвиток однієї конкретної техніки, кріоелектронна томографія, або кріо-ЕТ, має потенціал для поглиблення того, як дослідники вивчають і розуміють, як клітини функціонують у здоров’ї та хворобах.

Як колишній головний редактор наука журнал і як дослідник який десятиліттями вивчав великі білкові структури, які важко уявити, я був свідком вражаючого прогресу в розробці інструментів, які можуть визначати біологічні структури в деталях. Так само, як стає легше зрозуміти, як працюють складні системи, коли ви знаєте, як вони виглядають, розуміння того, як біологічні структури поєднуються в клітині, є ключовим для розуміння того, як функціонують організми.

Коротка історія мікроскопії

У 17 ст. світлова мікроскопія вперше відкрив існування клітин. У 20 столітті електронна мікроскопія запропонувала ще більше деталей, розкриваючи складні структури в клітинах, включаючи органели, такі як ендоплазматичний ретикулум, складна мережа мембран, які відіграють ключову роль у синтезі та транспорті білка.

З 1940-х до 1960-х років біохіміки працювали над розділенням клітин на молекулярні компоненти та навчилися визначати тривимірні структури білків та інших макромолекул з атомною роздільною здатністю або близькою до неї. Вперше це було зроблено за допомогою рентгенівської кристалографії для візуалізації структури міоглобін, білок, який постачає кисень до м’язів.

За останнє десятиліття методики на основі ядерно-магнітний резонанс, який створює зображення на основі взаємодії атомів у магнітному полі, і кріоелектронна мікроскопія швидко збільшили кількість і складність структур, які вчені можуть візуалізувати.

Що таке Cryo-EM і Cryo-ET?

Кріоелектронна мікроскопія, або кріоЕМ, використовує камеру для визначення того, як пучок електронів відхиляється, коли електрони проходять крізь зразок, щоб візуалізувати структури на молекулярному рівні. Зразки швидко заморожують, щоб захистити їх від радіаційного ураження. Детальні моделі цікавої структури створюються шляхом отримання кількох зображень окремих молекул і усереднення їх у 3D-структуру.

Кріо-ЕТ має схожі компоненти з cryo-EM, але використовує інші методи. Оскільки більшість клітин занадто товсті, щоб їх було чітко зображено, область інтересу в клітині спочатку стоншується за допомогою іонного променя. Потім зразок нахиляють, щоб зробити кілька його знімків під різними кутами, аналогічно КТ частини тіла (хоча в цьому випадку нахиляється сама система візуалізації, а не пацієнт). Потім ці зображення об’єднуються комп’ютером для отримання 3D-зображення частини клітини.

Роздільна здатність цього зображення достатньо висока, щоб дослідники (або комп’ютерні програми) могли ідентифікувати окремі компоненти різних структур у клітині. Дослідники використали цей підхід, наприклад, щоб показати, як білки рухаються та розкладаються всередині клітина водоростей.

Багато кроків, які раніше дослідникам доводилося робити вручну, щоб визначити структуру клітин, стають автоматизованими, що дозволяє вченим ідентифікувати нові структури зі значно вищою швидкістю. Наприклад, поєднання кріо-ЕМ з такими програмами штучного інтелекту, як AlphaFold може полегшити інтерпретацію зображень шляхом прогнозування білкових структур, які ще не охарактеризовані.

Розуміння будови та функції клітини

У міру вдосконалення методів візуалізації та робочих процесів дослідники зможуть вирішувати деякі ключові питання клітинної біології за допомогою різних стратегій.

Перший крок — вирішити, які клітини та які регіони в цих клітинах вивчати. Інша техніка візуалізації наз корельована світлова та електронна мікроскопія, або CLEM, використовує флуоресцентні мітки, щоб допомогти знайти регіони, де в живих клітинах відбуваються цікаві процеси.

Порівняння генетична різниця між клітинами може надати додаткову інформацію. Вчені можуть спостерігати за клітинами, які не здатні виконувати певні функції, і бачити, як це відображається на їхній структурі. Цей підхід також може допомогти дослідникам вивчити, як клітини взаємодіють одна з одною.

Cryo-ET, ймовірно, деякий час залишатиметься спеціалізованим інструментом. Але подальший технологічний розвиток і підвищення доступності дозволять науковому співтовариству вивчити зв’язок між клітинною структурою та функціями на раніше недоступних рівнях деталізації. Я очікую побачити нові теорії про те, як ми розуміємо клітини, переходячи від неорганізованих мішків молекул до складно організованих і динамічних систем.

Ця стаття перевидана з Бесіда за ліцензією Creative Commons. Читати оригінал статті.

Зображення Фото: Нанографія, CC BY-SA

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://singularityhub.com/2023/01/09/visualizing-the-inside-of-cells-at-previously-impossible-resolutions-provides-vivid-insights-into-how-they-work/