Новый электронный микроскоп позволил увидеть молекулы с беспрецедентной детализацией
Американские ученые разработали новую технологию для электронных микроскопов, которая позволяет значительно повысить качество изображений молекул и клеточных структур, играющих ключевую роль в изучении биологии и заболеваний. Разработка стала результатом более чем 15 лет теоретических и экспериментальных исследований, проведенных ведущими специалистами в области микроскопии в сотрудничестве с высококвалифицированными инженерами-механиками и при поддержке Biohub.
Исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета в Беркли адаптировали метод фазового контраста для криоэлектронной микроскопии (cryo-EM). Эта технология обеспечивает увеличение примерно в 10 тысяч раз большее по сравнению со световой микроскопией. В основе нового подхода лежит лазерная фазовая пластина, которая позволяет получать более четкие изображения молекул, плохо различимых даже для самых современных систем криоэлектронной микроскопии.
Новая фазовая пластина используется совместно со специально созданным микроскопом компании Thermo Fisher Scientific. Конструкция прибора была оптимизирована таким образом, чтобы максимально использовать возможности сверхяркого лазера, применяемого в системе. Получаемые изображения отличаются заметно более высокой четкостью, резкостью и детализацией. Это позволяет программному обеспечению для структурного анализа создавать более точные атомные модели исследуемых молекул.
Руководитель проекта, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли и научный сотрудник биологических исследований Национальной лаборатории Беркли Хольгер Мюллер сравнил новый прибор с болидом «Формулы-1» среди микроскопов. По его словам, система под названием Theia обеспечивает более высокое разрешение по сравнению со стандартной криоэлектронной микроскопией даже без использования лазерной фазовой пластины. Добавление этой технологии, как рассчитывают разработчики, позволит сделать установку одним из лучших инструментов подобного типа в мире. Мюллер также отметил, что ранее изучение структур с помощью cryo-EM напоминало попытку рассматривать картины в темной галерее, тогда как новая система словно впервые включает свет в помещении.
Для демонстрации возможностей установки исследователи получили изображения двух белков. Первым стал альдолаза — белок мышечной ткани, который относительно легко анализируется современными криоэлектронными микроскопами. Вторым объектом исследования стал гемоглобин — белок крови, отвечающий за перенос кислорода. Гемоглобин относится к числу небольших белков и находится практически на нижней границе размеров объектов, которые способны уверенно исследовать современные установки cryo-EM. Поэтому он часто используется как эталон для оценки производительности таких систем.
Эксперименты показали, что применение лазерной фазовой пластины улучшает разрешение структуры обоих белков. Однако наиболее заметный эффект наблюдался именно для гемоглобина, который представляет более сложную задачу для визуализации. По словам Мюллера, ученые работали с широким диапазоном образцов — от крупных частиц с практически идеальной подготовкой до небольших и сложных объектов с менее качественными образцами. Он подчеркнул, что чем лучше подготовлен образец, тем меньше значение имеет совершенство микроскопа, тогда как самые сложные объекты демонстрируют наиболее существенный выигрыш от использования новой технологии.
В настоящее время система установлена в Калифорнийском университете в Беркли. Следующим этапом работы станет расширение ее возможностей за пределы анализа отдельных частиц. Исследователи намерены адаптировать микроскоп для метода криоэлектронной томографии (cryo-ET).
Подобно тому как компьютерная томография в медицине формирует объемные изображения частей тела на основе множества снимков под разными углами, cryo-ET объединяет различные проекции молекул и клеточных структур для создания трехмерной картины. Этот подход способен существенно расширить возможности изучения клеточных процессов, поскольку позволяет наблюдать молекулы непосредственно внутри клеток в их естественном состоянии. В отличие от традиционной криоэлектронной микроскопии отдельных частиц, криоэлектронная томография дает возможность исследовать биологические объекты в более реалистичных условиях и при этом обеспечивает значительно более высокое разрешение по сравнению со световой микроскопией.