Эта техника раскрывает скрытый мир биологии, который мы никогда раньше не видели

Все живое состоит из клеток, которые на несколько величин меньше крупицы соли. Их, казалось бы, простые на вид структуры маскируют сложную и сложную молекулярную активность, которая позволяет им выполнять функции, поддерживающие жизнь.

Исследователи начинают визуализировать эту деятельность с таким уровнем детализации, которого они не знали. раньше это было невозможно.

Биологические структуры можно визуализировать, начав либо с уровня всего организма и продвигаясь вниз, либо начав с уровня отдельных атомов и проработав 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 Карты Google, хотя ученые могли видеть целые города и отдельные дома, у них не было инструментов, чтобы увидеть, как дома объединяются в районы.

Видение этих деталей на уровне районов очень важно для способность понять, как отдельные компоненты работают вместе в среде клетки.

Новые инструменты неуклонно заполняют этот пробел. И продолжающееся развитие одного конкретного метода, криоэлектронной томографии или крио-ЭТ, может углубить то, как исследователи изучают и понимают, как клетки функционируют в норме и при болезни.

Как сказал бывший главный редактор руководитель журнала Science и как исследователь, десятилетиями изучавший трудно визуализируемые крупные белковые структуры, я стал свидетелем поразительного прогресса в разработке инструментов, позволяющих детально определять биологические структуры.

Точно так же, как и сейчас. становится легче понять, как работают сложные системы, когда вы знаете, как они выглядят. Понимание того, как биологические структуры соединяются друг с другом в клетке, является ключом к пониманию того, как функционируют организмы.

Краткая история микроскопии

В 17 веке световая микроскопия впервые выявила существование клеток. В 20-м веке электронная микроскопия позволила получить еще больше деталей, обнаружив сложные структуры внутри клеток, в том числе такие органеллы, как эндоплазматический ретикулум, сложную сеть мембран, играющих ключевую роль в синтезе и транспорте белка.

Из 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, чтобы визуализировать структуру миоглобина, белка, который снабжает мышцы кислородом.

За последнее десятилетие методы, основанные на ядерно-магнитном резонансе, который создает изображения, основанные на том, как атомы взаимодействуют в магнитном поле, а криоэлектронная микроскопия быстро увеличила количество и сложность структур, которые ученые могут визуализировать.

Что такое крио-ЭМ и крио-ЭТ?

Крио -электронная микроскопия, или крио-ЭМ, использует камеру для определения того, как пучок электронов отклоняется, когда электроны проходят через образец, чтобы визуализировать структуры на молекулярном уровне.

Образцы быстро замораживают, чтобы защитить их от радиационного поражения. Подробные модели интересующей структуры создаются путем получения нескольких изображений отдельных молекул и их усреднения в трехмерную структуру.

Крио-ЭТ использует те же компоненты, что и крио-ЭМ, но использует разные методы. Поскольку большинство клеток слишком толстые для четкого изображения, интересующая область клетки сначала истончается с помощью ионного луча.

Затем образец наклоняют, чтобы сделать несколько снимков под разными углами, аналогично на компьютерную томографию 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. в клетке. Исследователи использовали этот подход, например, чтобы показать, как белки перемещаются и разлагаются внутри клетки водорослей.

Многие шаги, которые исследователи когда-то должны были выполнять вручную для определения структуры клеток, становятся автоматизированными, что позволяет ученые могут идентифицировать новые структуры на гораздо более высоких скоростях.

Например, сочетание крио-ЭМ с программами искусственного интеллекта, такими как AlphaFold, может облегчить интерпретацию изображений путем прогнозирования белковых структур, которые еще не были охарактеризованы.

Понимание структуры и функций клеток

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

Первый шаг – решить, какие клетки и какие области внутри этих клеток следует изучать. В другом методе визуализации, называемом коррелированной световой и электронной микроскопией, или CLEM, используются флуоресцентные метки, помогающие определить области, в которых в живых клетках происходят интересные процессы.

Сравнение генетических различий 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, 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, перемещаясь из неорганизованных мешков. молекул в сложно организованные и динамичные системы. -basic» alt=»Разговор» width=»1″ height=»1″ style=»border: none !important; box-shadow: none !important; margin: 0 !important; max-height: 1px !important; максимальная ширина: 1px !важно; минимальная высота: 1px !важно; минимальная ширина: 1px !важно; непрозрачность: 0 !важно; контур: нет !важно; отступ: 0 !важно;» referrerpolicy=»no-referrer-when-downgrade»>

Джереми Берг, профессор вычислительной и системной биологии, заместитель старшего вице-канцлера по научной стратегии и планированию, Университет Питтсбурга

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью.