Физическое увеличение объектов с помощью ключевого влагопоглощающего компонента подгузников открыло беспрецедентные возможности для изучения мира микроорганизмов. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Изображения динофлагелляты Karenia papiloniacea, полученные с помощью микроскопии с увеличением. Центрин обозначен зеленым цветом, ядро — синим, а красным — то, что, по-видимому, является внутриклеточными кристаллами, которые могут служить отсеками для хранения метаболитов.
Когда вы помещаете предметное стекло под микроскоп, система стеклянных линз увеличивает объект вашего внимания — например, микроб. Но даже при максимальном увеличении классической составной оптической системы ученым трудно рассмотреть мелкие детали, которые могут быть еще больше скрыты, когда жесткие клеточные стенки затрудняют введение красителей, помогающих идентифицировать структуры.
Теперь, вместо того чтобы вкладывать средства в более мощные и дорогостоящие технологии, некоторые ученые используют альтернативный метод, называемый микроскопией расширения, при котором объект надувается с помощью того же влагопоглощающего материала, который используется в подгузниках.
«Это недорого, этому легко научиться, и, действительно, на недорогом микроскопе это позволяет получать изображения лучшего качества», — сказала Омайя Дудин, клеточный биолог из Женевского университета, изучающая многоклеточность.
Метод расширяющей микроскопии был разработан Эдом Бойденом в Институте исследований мозга им. Макговерна при Массачусетском технологическом институте в 2015 году. Бойден и его коллеги успешно расширили биологический образец, пропитав его гидрогелем из акрилата натрия. Это ключевой компонент, используемый в подгузниках для защиты младенцев от влаги; данное соединение способно впитывать в сотни раз больше воды, чем весит само, сохраняя при этом свою структуру.
При микроскопии с расширением специфические биомолекулы, такие как белки, закрепляются в геле. По мере поглощения гелем дополнительной воды его сетчатая матрица набухает, а пространство между точками крепления сетки расширяется. В идеале общая структура сохраняется, что позволяет исследователям визуализировать сверхмалые анатомические структуры или заглянуть внутрь клеток с прочными барьерами.
В течение шести лет Дудин безуспешно пытался заставить антитела проникать сквозь прочные стенки клеток-мишеней, связываться со специфическими белками и визуализировать их внутреннюю структуру. Ему удавалось сделать это только с помощью сложного протокола замораживания и оттаивания, который разрушал большую часть конечного продукта. В отчаянии он наладил сотрудничество с соседней лабораторией, которая использовала микроскопию расширения, еще во времена пандемии COVID-19.
«Этот момент был просто волшебным. Все клетки разрослись, все окрасилось, мы могли видеть», — сказал Дудин. «Очень быстро стало ясно, что с этим экспериментом мы должны стремиться к невероятным результатам».
Гаутам Дей, клеточный биолог из Европейской лаборатории молекулярной биологии в Гейдельберге, изучающий митоз, обнаружил, что этот метод работает так же хорошо и в его лаборатории. Образцы получались более четкими, а красители и антитела проникали в клетки эффективнее, поэтому две лаборатории начали сотрудничество для визуализации видов, которые они никогда раньше не изучали. Они работают над составлением карты разнообразия цитоскелета, визуализируя сложные цитоскелетные структуры, которые никогда ранее не наблюдались с такой детализацией.
Возможно, самое важное заключается в том, что микроскопия с расширением амплификаций доступна любой лаборатории, имеющей базовый микроскоп и гидрогель. «Люди уже говорили о демократизации микроскопии. И вот, это происходит», — сказал Дей. «Я думаю, это лишь вопрос времени, когда любая лаборатория клеточной биологии в мире начнет этим заниматься. Базовый флуоресцентный микроскоп всегда будет под рукой».
Первым видом, который лаборатория Дудина исследовала с помощью микроскопии расширения, был одноклеточный эукариот Sphaeroforma arctica, протист, имеющий множество ядер в одной клетке. На этом изображении показаны клетки на разных стадиях жизненного цикла. Ядра в двух верхних клетках находятся в стадии митоза, или деления ядра. Нижние клетки находятся на поздней стадии митоза, при этом ядра возвращаются к стадии роста.
DudinLab
Хищная инфузория Lacrymaria — любимица лаборатории Дудина. Ее структура для питания образована вихрем микротрубочек. Хотя в этом месте она втянута, Lacrymaria может быстро вытягивать трубчатую структуру, чтобы захватить убегающую добычу.
DeyLab/DudinLab/CentrioleLab
Расширенная микроскопия позволила Дудину и Дею увидеть множество неожиданных структур. Например, Rhinomonas — это одноклеточная фотосинтезирующая водоросль с двумя жгутиками, обитающая преимущественно в морской среде. Появление специализированного белка центрина (зеленого цвета), украшающего регулярно расположенные массивы, ранее не было описано для этой линии организмов.
DeyLab/DudinLab/CentrioleLab
Диатомовые водоросли особенно трудно визуализировать через их защитные стеклянные оболочки, называемые фрустулами. Лаборатория Дея решила использовать альтернативный протокол микроскопии с расширением образца, при котором образец расширяется, а его белки метятся флуоресцентными антителами; затем быстрое замораживание фиксирует все на месте.
DeyLab/Vincent Lab
Центрин — это небольшой белок, связывающий кальций, который сополимеризуется с более крупными белками, образуя сети структурных филаментов в клетке. Волокна, содержащие центрин, особенно многочисленны у инфузорий; эта сложная сетка (жёлтая) расположена непосредственно под клеточной мембраной в этой расширенной клетке Vorticella.
DeyLab/DudinLab/CentrioleLab
В пресноводных инфузориях, известных как Vorticella, исследователи обнаружили «удивительную центриновую клетку, точечные тубулиновые компоненты жгутика и невероятный ротовой аппарат [в крайнем левом углу, зеленый]», — сказал Дудин. В центре веретено (зеленый), по-видимому, организуется, поскольку клетки готовятся к делению. Зеленые точки структурного белка тубулина видны по всей характерной ножке простейшего (справа).
DeyLab/DudinLab/CentrioleLab
Обнаруженный в антарктическом море Росса динофлагеллят способен «забирать» органеллы, называемые пластидами, у микроводоросли Phaeocystis antarctica. Расширенная микроскопия процесса поглощения показала, что микроорганизм-хозяин сохранил не только пластиды. Внутри хозяина также были обнаружены ядро водоросли (синее) и другие структуры, такие как белковый комплекс, имеющий решающее значение для фотосинтеза (зеленое). Эти взаимодействия позволяют получить представление о ранних этапах эволюции эукариот, но до сих пор не до конца изучены.
DudinLab/DecelleLab
Расширенная микроскопия динофлагеллята Lingulodinium polyedra позволяет увидеть организацию хромосом (ДНК синим цветом) и внутренний аксостиль (в центре, зеленым) — структуру из микротрубочек, которая помогает клетке двигаться. «Мы получили изображения более чем 60 видов динофлагеллят, что позволило нам составить карту разнообразия цитоскелета во всей линии», — сказал Дудин.
DeyLab/DudinLab/CentrioleLab
Источник: www.quantamagazine.org
