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

Oct 08, 2023

Профессор вычислительной и системной биологии, заместитель старшего проректора по научной стратегии и планированию, Питтсбургский университет

Джереми Берг не работает, не консультирует, не владеет акциями и не получает финансирования от какой-либо компании или организации, которым будет полезна эта статья, и не раскрыл никакой соответствующей принадлежности, кроме своей академической должности.

Университет Питтсбурга предоставляет финансирование как член The Conversation US.

Посмотреть всех партнеров

Вся жизнь состоит из клеток, размер которых на несколько величин меньше крупинки соли. За их, казалось бы, простыми структурами скрывается сложная молекулярная активность, позволяющая им выполнять функции, поддерживающие жизнь. Исследователи начинают иметь возможность визуализировать эту деятельность на таком уровне детализации, которого им не удавалось раньше.

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

По аналогии с Google Maps, ученые могли видеть целые города и отдельные дома, но у них не было инструментов, чтобы увидеть, как дома объединяются, образуя кварталы. Наблюдение этих деталей на уровне соседства необходимо для понимания того, как отдельные компоненты работают вместе в среде клетки.

Новые инструменты постепенно устраняют этот разрыв. И продолжающееся развитие одного конкретного метода, криоэлектронной томографии или крио-ЭТ, может углубить то, как исследователи изучают и понимают, как клетки функционируют в здоровом состоянии и при заболеваниях.

Как бывший главный редактор журнала Science и исследователь, который десятилетиями изучал сложные для визуализации крупные белковые структуры, я стал 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.

В 17 веке световая микроскопия впервые выявила существование клеток. В 20-м веке электронная микроскопия предоставила еще больше деталей, раскрывая сложные структуры внутри клеток, включая такие органеллы, как эндоплазматическая сеть, сложная сеть мембран, которые играют ключевую роль в синтезе и транспортировке белков.

С 1940-х по 1960-е годы биохимики работали над разделением клеток на их молекулярные компоненты и учились 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 — белка, который снабжает мышцы кислородом.

За последнее десятилетие методы, основанные на ядерном магнитном резонансе, который создает изображения, основанные на взаимодействии атомов в магнитном поле, и криоэлектронной микроскопии, быстро увеличили количество и сложность структур, которые ученые могут визуализировать.

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

Cryo-ET имеет те же компоненты, что и крио-ЭМ, но использует другие методы. Поскольку большинство клеток слишком толстые, чтобы их можно было четко визуализировать, интересующую область клетки сначала утончают с помощью ионного луча. Затем образец наклоняют, чтобы сделать несколько его 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.