Метод позволяет получать недорогие изображения с разрешением на уровне вирусных частиц
Инженеры MIT разработали технику визуализации биологических образцов с точностью до 10 нанометров с помощью обычного светового микроскопа. Это позволит получать изображения вирусов и, потенциально, даже отдельных биомолекул.
Новая техника основана на микроскопии расширения (expansion microscopy), при которой образцы внедряют в гидрогель, расширяют, а затем изучают под микроскопом. В новой версии метода исследователи создали новый тип гидрогеля, который сохраняет более однородную конфигурацию, что повышает точность визуализации крошечных структур.
Такая точность может открыть путь к изучению фундаментальных молекулярных взаимодействий, лежащих в основе жизни, считает Эдвард Бойден, профессор нейротехнологий, биологической инженерии, наук о мозге и когнитивных наук MIT.
«Если бы вы могли видеть отдельные молекулы и определять их тип с точностью до однозначных нанометров, вы могли бы фактически увидеть структуру жизни. А структура, как показало нам столетие современной биологии, определяет функцию», — говорит Бойден, старший автор исследования.
Ведущими авторами статьи, опубликованной в Nature Nanotechnology, являются научный сотрудник MIT Руйсюань Гао и Чи-Чи "Джей" Ю. Среди других авторов — Линьи Гао, бывший постдок MIT Кирилл Пяткевич, директор Gene Technology Core в Массачусетской больнице общего профиля Рэйчел Нейв, доцент микробиологии и физиологических систем Медицинской школы Университета Массачусетса Джеймс Манро и бывший доцент педиатрии Гарвардской медицинской школы Сригокул Упадхьяюла.
Низкая стоимость, высокое разрешение
С момента первой публикации метода в 2015 году многие лаборатории по всему миру начали использовать микроскопию расширения. Метод позволяет физически увеличивать образцы примерно в четыре раза в линейном измерении перед визуализацией, что дает возможность получать изображения высокого разрешения без дорогого оборудования.
«Сотни групп занимаются микроскопией расширения. Очевидно, существует скрытый спрос на простой и недорогой метод нановизаулизации», — отмечает Бойден.
Другие методы, такие как электронная микроскопия и микроскопия сверхвысокого разрешения, обеспечивают высокое разрешение, но требуют дорогого оборудования. Микроскопия расширения позволяет достичь высокого разрешения с помощью обычного светового микроскопа.
В 2017 году команда Бойдена продемонстрировала разрешение около 20 нанометров, используя процесс двойного расширения образцов. Этот подход, как и более ранние версии метода, основан на абсорбирующем полимере из полиакрилата натрия, полученном методом свободнорадикального синтеза. Эти гели набухают в воде, но их структура и плотность не являются полностью однородными. Эта нерегулярность приводит к небольшим искажениям формы образца при расширении, что ограничивает достижимую точность.
Новый гидрогель Tetra-Gel
Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи разработали новый гель под названием tetra-gel, который образует более предсказуемую структуру. Комбинируя тетраэдрические молекулы ПЭГ (PEG) с тетраэдрическими полиакрилатами натрия, они создали решетчатую структуру, гораздо более однородную, чем предыдущие гидрогели.
Точность метода была продемонстрирована на частицах вируса простого герпеса 1 типа (HSV-1), имеющих характерную сферическую форму. После расширения вирусных частиц их формы сравнили с полученными с помощью электронной микроскопии. Искажение оказалось меньше, чем в предыдущих версиях метода, что позволило достичь точности около 10 нанометров.
«Мы можем наблюдать, как меняется расположение этих белков при расширении, и оценивать, насколько близка их форма к сферической. Так мы проверяли метод и определяли, насколько точно можем сохранить наноструктуру форм и относительное пространственное расположение этих молекул», — объясняет Руйсюань Гао.
Визуализация отдельных молекул
Исследователи также использовали новый гидрогель для расширения клеток, включая клетки человеческой почки и мышиного мозга. Сейчас они работают над повышением точности до уровня визуализации отдельных молекул в таких клетках.
Одним из ограничений для такой точности является размер антител, используемых для мечения молекул в клетке (около 10–20 нанометров). Для визуализации отдельных молекул, вероятно, потребуется создавать более мелкие метки или добавлять их уже после завершения процесса расширения.
Также исследуется возможность использования других типов полимеров или модифицированных версий полимера tetra-gel для достижения большей точности.
Если удастся достичь точности на уровне отдельных молекул, откроются новые горизонты для исследований, считает Бойден. Например, можно будет наблюдать, как разные молекулы взаимодействуют друг с другом, что прольет свет на клеточные сигнальные пути, активацию иммунного ответа, синаптическую коммуникацию, взаимодействие лекарств с мишенями и многие другие биологические явления.
«Нам бы хотелось рассмотреть области клетки, например, синапс между двумя нейронами, или другие молекулы, участвующие в межклеточной сигнализации, и выяснить, как все части взаимодействуют друг с другом. Как они работают вместе и как это нарушается при заболеваниях?»