Наблюдение за живыми клетками млекопитающих с помощью сверхбыстрых мягких рентгеновских лучей

Исследователи разработали новую методику для наблюдения за живыми клетками млекопитающих. Команда использовала мощный лазер на свободных электронах, генерирующий мягкие рентгеновские лучи, для испускания сверхбыстрых импульсов освещения длительностью в фемтосекунды (квадриллионные доли секунды).

Это позволило впервые зафиксировать изображения углеродных структур в живых клетках до того, как мягкое рентгеновское излучение повредило их. Для этого были созданы усовершенствованные зеркала Вольтера — сверхточные зеркала, которые позволили микроскопу получать изображения с высоким пространственным разрешением и широким полем зрения.

В будущем команда надеется использовать этот микроскоп для лучшего понимания динамической природы клеточной биологии. Исследование опубликовано в журнале Optica.

Мягкие рентгеновские лучи, в отличие от жёстких (используемых, например, в аэропортах или медицине), способны предоставлять химическую информацию о образцах и детальные изображения на субклеточном уровне. Однако их применение было ограничено из-за необходимости в специализированном оборудовании и из-за повреждений, которые они наносят живым клеткам.

Новый микроскоп на мягких рентгеновских лучах позволил впервые наблюдать живые клетки млекопитающих и получать изображения углеродных структур внутри них, которые не были видны с помощью других инструментов (например, электронной или флуоресцентной микроскопии). Поскольку углерод — один из основных элементов жизни, это открывает новое окно в её понимание.

Ключевые компоненты микроскопа:

• Лазер на свободных электронах (мягкий рентгеновский), обеспечивающий импульсное освещение длительностью в десятки фемтосекунд.
• Высокоточные зеркала Вольтера, обеспечивающие широкое поле зрения, устойчивость к мощному лазерному излучению и отсутствие цветовых искажений.

Ранее с помощью подобных лазеров изучали более мелкие вирусы и бактерии, но клетки млекопитающих были слишком велики. Использование зеркал Вольтера позволило увеличить поле зрения и толщину держателя образца для более крупных клеток.

Результаты:

На полученных изображениях была обнаружена углеродная трасса между ядрышком (структурой в ядре клетки, участвующей в её функционировании и выживании) и ядерной мембраной, которая ранее не наблюдалась в световых микроскопах.

В перспективе использование более ярких лазеров и ещё более точных зеркал Вольтера позволит улучшить качество изображений (снизить "шум") и наблюдать больше биохимических элементов, а также некоторые жизненно важные реакции и взаимодействия внутри живых клеток.