Визуализация внутреннего строения клеток с ранее недоступным разрешением

Все живое состоит из клеток, которые в несколько раз меньше крупинки соли. Их кажущаяся простой структура скрывает сложную молекулярную активность, позволяющую им выполнять жизненно важные функции. Исследователи начинают визуализировать эту активность с уровнем детализации, который раньше был невозможен.

Биологические структуры можно визуализировать двумя путями: от уровня целого организма вниз или от уровня отдельных атомов вверх. Однако существовал разрыв в разрешении между мельчайшими структурами клетки, такими как цитоскелет, и её крупнейшими структурами, такими как рибосомы.

По аналогии с Google Maps: если раньше ученые могли видеть целые города и отдельные дома, у них не было инструментов, чтобы увидеть, как дома складываются в районы. Видеть эти детали на уровне «районов» необходимо для понимания, как отдельные компоненты работают вместе в среде клетки.

Новые инструменты постепенно устраняют этот разрыв. Развитие одной конкретной техники — крио-электронной томографии (cryo-ET) — имеет потенциал углубить изучение и понимание функций клеток в здоровье и болезни.

Краткая история микроскопии

В XVII веке световая микроскопия впервые показала существование клеток. В XX веке электронная микроскопия предложила ещё бо́льшую детализацию, выявив сложные внутриклеточные структуры, включая органеллы, такие как эндоплазматический ретикулум.

С 1940-х по 1960-е годы биохимики научились разделять клетки на молекулярные компоненты и определять 3D-структуры белков и других макромолекул с разрешением, близким к атомному. Впервые это было сделано с помощью рентгеновской кристаллографии для визуализации структуры миоглобина.

За последнее десятилетие методы на основе ядерного магнитного резонанса (NMR) и крио-электронной микроскопии (cryo-EM) резко увеличили количество и сложность структур, которые могут визуализировать ученые.

Что такое cryo-EM и cryo-ET?

Крио-электронная микроскопия (cryo-EM) использует камеру для детектирования того, как пучок электронов отклоняется при прохождении через образец, чтобы визуализировать структуры на молекулярном уровне. Образцы быстро замораживают для защиты от радиационного повреждения. Детальные модели строения получают путем съемки множества изображений отдельных молекул и их усреднения в 3D-структуру.

Крио-электронная томография (cryo-ET) использует схожие компоненты, но другие методы. Поскольку большинство клеток слишком толстые для четкой визуализации, область интереса в клетке сначала истончают с помощью ионного пучка. Затем образец наклоняют, чтобы сделать множество снимков под разными углами (аналогично КТ-сканированию). Эти изображения затем объединяют компьютером для создания 3D-изображения части клетки.

Разрешение такого изображения достаточно высоко, чтобы исследователи или компьютерные программы могли идентифицировать отдельные компоненты различных структур в клетке. Например, этот подход использовали, чтобы показать, как белки движутся и деградируют внутри клетки водоросли.

Многие этапы, которые раньше требовалось выполнять вручную, становятся автоматизированными, позволяя ученым идентифицировать новые структуры с гораздо более высокой скоростью. Например, сочетание cryo-EM с программами искусственного интеллекта, такими как AlphaFold, может облегчить интерпретацию изображений, предсказывая структуры еще не охарактеризованных белков.

Понимание структуры и функции клетки

По мере совершенствования методов визуализации и рабочих процессов исследователи смогут по-новому подходить к ключевым вопросам клеточной биологии.

Первый шаг — решить, какие клетки и какие области внутри них изучать. Другая техника визуализации — корреляционная световая и электронная микроскопия (CLEM) — использует флуоресцентные метки для помощи в локализации областей, где в живых клетках происходят интересные процессы.

Сравнение генетических различий между клетками может дать дополнительное понимание. Ученые могут изучать клетки, неспособные выполнять определенные функции, и наблюдать, как это отражается на их структуре. Этот подход также помогает изучать взаимодействие клеток друг с другом.

Cryo-ET, вероятно, останется специализированным инструментом еще некоторое время. Но дальнейшее технологическое развитие и растущая доступность позволят научному сообществу исследовать связь между клеточной структурой и функцией на ранее недоступном уровне детализации. Это приведет к новым теориям в понимании клеток — от неорганизованных «мешков с молекулами» до сложно организованных и динамических систем.