Новый тип сверхразрешения для изучения деления клеток

Новый метод визуализации деталей меньше половины длины волны света показал, как наноразмерные структуры внутри клеток соединяются с макромасштабом во время деления. В отличие от более ранних методов сверхразрешения, разработанный и испытанный в Мичиганском университете метод не использует молекулы, которые разрушаются при длительном воздействии света.

Сверхразрешение позволяет выявлять структуры размером до 10 нанометров (примерно 100 атомов). Однако его слабость в том, что он позволяет делать лишь моментальные снимки с выдержкой в десятки секунд, что делает невозможным наблюдение за эволюцией клеточных структур в течение долгого времени.

Чтобы понять, как наноразмерные структуры взаимодействуют друг с другом и как это взаимодействие масштабируется до уровня всей клетки, команде под руководством Сомин Ли потребовался новый вид сверхразрешения. Используя новый метод, они смогли непрерывно наблюдать за клеткой в течение 250 часов.

Новый метод, как и оригинальный, использует зонды рядом с нанообъектами. Сверхразрешение 1.0 использовало для этого флуорофоры — флуоресцентные молекулы. Новый метод использует золотые наностержни, которые не разрушаются при многократном воздействии света. Наностержни реагируют на фазу света, и это взаимодействие зависит от их угла по отношению к падающему свету.

Наностержни могут прикрепляться к определённым клеточным структурам с помощью таргетных молекул на их поверхности. В данном случае они нацеливались на актин — белок, формирующий цитоскелет. Актин имеет форму разветвлённых филаментов диаметром около 7 нанометров, которые соединяются в структуры, простирающиеся на тысячи нанометров.

Чтобы локализовать наностержни, команда создала фильтры из тонких слоёв полимеров и жидких кристаллов. Эти фильтры позволили детектировать свет с определённой фазой и выделять наностержни с конкретными углами ориентации. Сделав 10–30 изображений (каждое показывало разное подмножество наностержней) и объединив их в одно, команда смогла вывести нанометровые детали актиновых филаментов, которые размыты в обычных микроскопах.

Используя эту технику, команда обнаружила три правила, управляющие самоорганизацией актина во время деления клетки:

• Актин расширяется, чтобы достичь соседей, когда филаменты далеко друг от друга.
• Актин будет приближаться к соседям, чтобы увеличить количество связей, хотя эта тенденция смягчается стремлением к расширению и охвату большего числа соседей.
• В результате актиновая сеть имеет тенденцию сжиматься, когда она более связана, и расширяться, когда связи меньше.

Поведение актина связано с поведением клетки, но клетка сжимается, когда актин расширяется, и расширяется, когда актин сжимается. Команда хочет исследовать это противоречие между масштабами, а также последствия нарушения этого молекулярного процесса, которые могут лежать в основе некоторых заболеваний.

В более широком смысле они надеются использовать сверхразрешение, чтобы понять, как самоорганизация заложена в биологические структуры без необходимости централизованного контроля.