Нов метод за визуализация разкрива безпрецедентни подробности за клетъчното делене

През 2014 г. учените получиха Нобелова награда по химия за разработването на наноскопията – техника за биоизобразяване със свръхразделителна способност, която дава възможност за наблюдение на отделните молекули. Тя обаче може да се използва само за правене на моментни снимки за няколко десетки секунди. Вдъхновен от тази техника, изследователски екип разработи концепцията за суперразделителна способност „PINE“, която позволява наблюденията да се удължат до 250 часа, разкривайки неподозирани досега молекулярни детайли на клетъчното делене.

В природата всяка структура, жива или не, се формира и организира чрез обединяването на милиарди отделни компоненти. Тази динамика на сглобяване обхваща поне 3 порядъка по размер и дължина и поне 5 порядъка по време. Свръхвисоката разделителна способност доведе до революция в областта на биоизображенията, като даде възможност за изследване на тази динамика в мащаби до 10 нанометра, което съответства на резолюция от 100 атома.

Като цяло съществуващите техники за суперразделителна способност включват умишлено предизвикване на фотоизбледняване. Целта на този процес е да се осветят молекулите, маркирани с флуорофор (флуоресцентен маркер), така че те да отразяват светлината, която изчезва след няколко десетки секунди. Въпреки високата разделителна способност на изображенията, реконструирани от флуоресцентните точки, този протокол причинява необратимо разграждане и значително ограничава времето за наблюдение, което не е идеалното решение за наблюдение на биомолекулните процеси за дълги периоди от време.

„Живата клетка е динамично място с оживени протеини, които се появяват тук и там. Нашата система за супер разделителна способност е много привлекателна за визуализиране на тази динамична активност“, отбелязва в съобщение за пресата Гуанджи Куи, докторант в катедрата по електротехника и компютърно инженерство в Мичиганския университет и един от разработчиците на новата техника.

Тази нова техника, описана подробно в Nature Communications, разширява обхвата на наблюдение със суперразделителна способност до 250 часа.

Устройството, разработено от Цуй и колегите му, е фазово-интензивен наноскоп без използване на избелване (PINE). То включва интегриран многослоен тънък филм на базата на поливинилов алкохол и течнокристални полимери. Този филм позволява произволно разпределение на златните наносонди, използвани вместо флуорофори, и избягва фотографското изсветляване.

Предишни изследвания показаха, че методът на наносондата осигурява еластично разсейване на светлината без обезцветяване, което позволява по-дълга суперразделителна способност. Тези методи обаче са склонни към отклонения, които намаляват точността на суперразделителната способност. Освен това можеха да се използват само няколко наносонди, докато за оптимално възстановяване на изображенията на наблюдаваните структури са необходими хиляди наносонди. Освен това те не са в състояние да постигнат нива на суперразделителна способност, по-малки от 10 нанометра.

Методът на изследователите от Мичиган позволява използването на популация от няколко хиляди наносонди и по този начин предлага разделителна способност, по-малка от 10 нанометра. Пръчиците с нанометрови размери реагират на светлината, която полимерният филм позволява да бъде открита чрез отразяване в съответствие с прецизно определелната фаза. Тази прецизност дава възможност за избор на нанопръчиците в зависимост от ъгъла на падане на светлината. Чрез записването на 10 до 30 изображения, всяко от които е направено под различен ъгъл на нанопръчицата, и комбинирането им в едно изображение, екипът е успял да наблюдава детайли в клетката в протеинов мащаб. За сравнение, тези детайли в един конвенционален микроскоп биха били тотално замъглени.

„Можем да извършваме дългосрочна наноскопия при размери, по-малки от 10 nm, и да проследяваме появата на мащабни съвкупления, включващи стотици клетъчни архитектури (>900) в клетките, което е невъзможно да се получи със сега съществуващата флуоресценция“, се казва в тяхното изследване.

Увеличаване на невижданите досега детайли

За да изпробват новата техника, учените се опитаха да открият актин – нишковиден протеин, който поддържа клетките, с диаметър около 7 нанометра. Въпреки че нанонишките са около половината от размера на протеините, те разкриват безпрецедентни подробности за процеса на клетъчното делене. Въпреки че разбираме основите на този процес, той остава до голяма степен загадъчен поради ограничените технологии за наблюдение.

Техниката PINE даде възможност за наблюдение на набор от 904 актинови нишки и показа, че по време на клетъчното делене те се разтягат и отдалечават една от друга. Това разрастване след това ги принуждава да се сближат, което им позволява да се свържат отново. Този процес се ограничава от тенденцията на протеиновата мрежа да се разширява и да привлича други съседни протеини. В резултат на това получената мрежа има тенденция да се свива, колкото повече връзки има, и да се разширява, ако има по-малко връзки.

Установено е също така, че поведението на актина е тясно свързано с поведението на клетката. Когато протеиновата мрежа се разширява, клетката домакин се свива. Но в обратния случай клетката-гостоприемник се свива, когато протеините се разширяват. Тази противоречива динамика е наблюдавана за първи път и изследователите се надяват в близкото бъдеще да разберат нейните последици и евентуално въздействие. По-конкретно, дерегулацията на този процес може да е в основата на някои патологии.

Това постижение може много успешно да бъде комбинирано с разработените наскоро изкуствени неврони , които демонстрират същото нелинейно поведение в отговор на дразнителите, като истинските и работят почти без енергия. Тази технология разкрива нови възможности за лечение на сърдечната недостатъчност, невродегенеративните заболявания и други патологии.