Визуализация внутриклеточных наноструктур живых клеток с помощью наноэндоскопии-АСМ

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) позволяет проводить бесконтактную визуализацию наномасштабной биомолекулярной динамики для решения биологических вопросов, недоступных другим методам биоимиджинга, включая флуоресцентную и сканирующую электронную микроскопию. Поскольку такие методы визуализации возможны только для биологических систем, извлеченных из клеток или реконструированных на твердых субстратах, нанодинамика внутри живых клеток в значительной степени остается недоступной. В новой работе, опубликованной в Science Advances, Маркос Пенедо и исследовательская группа из Университета Канадзавы (Япония) преодолели эти ограничения, использовав метод наноэндоскопии-АСМ.

Суть метода

Исследователи вводили иглоподобный нанозонд в живую клетку для получения 3D-карт и 2D-нанодинамики внутреннего каркаса мембраны (актиновых волокон) без обнаруживаемых изменений в жизнеспособности клетки. В отличие от предыдущих методов АСМ, нанозонд напрямую получал доступ к целевым внутриклеточным компонентам, используя возможности АСМ: высокое разрешение, наномеханическое картирование и молекулярное распознавание.

Эксперименты

• Нанозонд: Использовался коммерческий кремниевый тетраэдрический наконечник, обработанный фокусированным ионным пучком до диаметра менее 200 нм для минимизации повреждения клетки.
• 3D-визуализация: Метод позволил получить 3D-изображение всей клетки HeLa, идентифицировать ядро и внутренние гранулярные структуры. Эксперименты на жизнеспособность подтвердили отсутствие серьезных повреждений клетки.
• 2D-визуализация: Амплитудная модуляция АСМ позволила изучить ретикулярную структуру внутренней стороны клеточной мембраны фибробласта и внутреннюю динамику клеточных структур в физиологических условиях.
• Комбинация методов: Удалось совместить внутриклеточные изображения, полученные методом 3D наноэндоскопии-АСМ, с данными конфокальной микроскопии.

Перспективы

Метод наноэндоскопии-АСМ открывает новые возможности для:

• Изучения 3D-организации актиновых филаментов в их естественной внутриклеточной среде.
• Комбинации 3D-карт внутренних структур с 2D-проекциями и данными флуоресцентной микроскопии (конфокальной или сверхвысокого разрешения).
• Исследования внутриклеточной наномеханики (жесткость, адгезия, диссипация), играющей ключевую роль в функциях клетки.
• Наблюдения за клеточными процессами in vivo и изучения физиологических молекулярных моторов.