Микроскоп, изобретенный в морской биологической лаборатории, проливает свет на хромосомную «темную материю»
С помощью микроскопа, изобретенного в Морской биологической лаборатории (MBL), совместная команда биологов, разработчиков инструментов и специалистов по обработке данных впервые измерила плотность относительно неясной, сильно конденсированной формы хроматинового материала, которая присутствует в клетках человека и других эукариот. Ученые MBL Майкл Шрибак (изобретатель микроскопа) и Томоми Тани вместе с Казухиро Маешимой из Национального института генетики Японии недавно сообщили о своих результатах в журнале Molecular Biology of the Cell.
Ученые измерили плотность гетерохроматина — плотно упакованной формы хроматина, которая выглядит как темные, разбросанные области в клеточном ядре. До недавнего времени считалось, что эта хромосомная «темная материя» содержит либо некодирующую ДНК, либо «молчащие» гены. Однако новые исследования показывают, что ДНК гетерохроматина на самом деле не полностью неактивна. Чтобы исследовать эту возможность, необходимо описать физические свойства гетерохроматина в живых клетках, что было серьезной проблемой при использовании традиционной микроскопии. Команда смогла измерить плотность гетерохроматина в его естественном состоянии с помощью нового типа микроскопии — ориентационно-независимой дифференциальной интерференционно-контрастной микроскопии (OI-DIC). Шрибак впервые разработал эту технологию в середине 2000-х годов в сотрудничестве с выдающимся ученым MBL Шинья Иноуэ и с тех пор продолжал ее совершенствовать.
По словам Шрибака, это исследование является «первым важным применением OI-DIC» — технологии, которая «идеально подходит для изучения структуры и движения в неокрашенных живых клетках и изолированных органеллах, поскольку за ними можно неинвазивно наблюдать в течение длительного времени».
Дэвид Марк Уэлч, директор исследовательского отдела MBL, отметил, что эта работа является примером успешного взаимодействия между биологами, разработчиками микроскопов и специалистами по данным, что является центральной чертой науки в MBL и важным направлением роста лаборатории.
Широко используемая биологами с 1970-х годов, обычная DIC-микроскопия использует интерференцию со сдвигом луча для получения контрастных изображений живых, немодифицированных клеток и тканей. В начале 1980-х в MBL Шинья Иноуэ, а также Роберт и Нина Аллен из Дартмутского колледжа независимо изобрели видео-усиленную DIC, что резко улучшило метод и его разрешение. Однако у DIC оставался недостаток: ученому приходилось несколько раз вращать биологический образец, чтобы получить полное изображение, поскольку клеточные структуры вдоль плоскости сдвига луча были невидимы. В 2002 году Шрибак предложил ориентационно-независимую DIC (патенты США 7233434 и 7564618), которая решила проблему. Микроскоп OI-DIC быстро делает снимки в разных направлениях сдвига луча, а затем обрабатывает итоговое изображение. По сравнению с обычной DIC он имеет дополнительное преимущество, позволяя проводить количественные измерения образца.
Летом прошлого года Томас Райнс, студент Чикагского университета, работавший со Шрибаком в качестве стипендиата Джеффа Меткалфа, разработал метод измерения разрешающей способности оптических микроскопов, уделив особое внимание OI-DIC. «Этот микроскоп обеспечивает наилучшее возможное разрешение и контраст [среди DIC-микроскопов]», — сказал Шрибак (около 250 нм при максимальном разрешении). Райнс и Шрибак продолжат сотрудничество для разработки оптимального алгоритма анализа данных о разрешении. Шрибак также сотрудничает со стипендиатом MBL Патриком Ла Ривером из Чикагского университета над созданием 3D-системы ориентационно-независимой DIC.