Визуализация «пробок» внутри живых клеток

Ученые из Центра молекулярной спектроскопии и динамики Института фундаментальных наук (IBS CMSD) представили революционную бесфлуоресцентную методику микроскопии — интерференционный рассеивающий микроскоп для локализации грузов (CL-iSCAT). Этот новый метод оптической визуализации открывает возможности для отслеживания движения внутриклеточных грузов в реальном времени без традиционной флуоресцентной метки.

Понимание механизмов внутриклеточного транспорта важно для изучения функций, метаболизма и судьбы живой клетки. До сих пор ученые полагались на флуоресцентную микроскопию для визуализации грузов и их локализации в цитоскелете. Однако традиционные методы позволяли наблюдать лишь ограниченное число специфических грузов и страдали от фотообесцвечивания флуоресцентных меток.

Визуализация общего транспортного феномена множества грузов, перемещающихся по сложному клеточному каркасу, с помощью флуоресцентных методов была крайне сложной. Отсутствие бесфлуоресцентной техники, способной бесконечно долго отслеживать миллионы грузов, долго мешало пониманию явлений клеточного транспорта.

Новый микроскоп CL-iSCAT решает эти проблемы, позволяя проводить бесфлуоресцентные наблюдения за транспортом грузов в субмикронной клеточной среде в реальном времени. Его ключевая особенность — двухмодальная система, объединяющая флуоресцентную визуализацию и iSCAT-микроскопию. Это позволяет отдельно наблюдать специфически меченые грузы или субклеточные структуры на фоне множества немеченых грузов, движущихся по микротрубочковым сетям.

Интеграция двух дополняющих друг друга методов, как ожидается, будет способствовать инновационным исследованиям в клеточной биологии и углублению понимания внутриклеточных биологических процессов. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Директор центра Чо Минхэн отметил значимость метода: «Достигнув возможности наблюдать живые клетки со сверхвысоким разрешением независимо от флуоресценции, мы установили новую парадигму для выяснения сложных деталей биологических процессов».

Профессор Хон Сокчхоль, соавтор исследования, добавил: «Развитие технологии визуализации, позволяющей проводить высокоразрешающие и быстрые наблюдения за биологическими процессами, способствует глубокому пониманию жизни с точки зрения молекулярной динамики. Наш новый подход к долгосрочной визуализации имеет большой потенциал для революционных медицинских открытий».

Используя этот инструмент, исследователи смогли выборочно отслеживать динамическое движение активных грузов в живых клетках. Они применили анализ временных дифференциальных изображений для точного мониторинга перемещений сотен грузов одновременно в течение длительного времени.

На основе большого массива данных о локализации всех грузов они продемонстрировали способность микроскопа CL-iSCAT восстанавливать пространственное распределение микротрубочковых сетей с высоким пространственным разрешением, превосходящим дифракционный предел, вплоть до 15 нм.

Потенциал микроскопа широк. Одна из больших современных задач — исследование вирусной инфекции и мониторинг эффектов противовирусных вакцин и препаратов в реальном времени. Поскольку размер типичных вирусов составляет несколько десятков нанометров, CL-iSCAT сможет визуализировать весь процесс от начала вирусной инфекции до гибели клетки.

Исследователи обнаружили, что клеточные транспортные явления удивительно похожи на дорожное движение в человеческом обществе. Они наблюдали множество интригующих феноменов во время движения грузов, включая внутриклеточные «пробки», коллективную миграцию и «автостоп» для эффективного транспорта грузов в неизученных областях клетки.

Директор Чо отметил: «Особенно увлекательно обнаружить в высокосложном клеточном мире, но в микрометровом масштабе, типичные транспортные события, знакомые городским жителям. В будущем мы планируем глубже изучить эффективные транспортные стратегии, которые клетки используют для преодоления этих проблем, и их связь с клеточными явлениями».