Mokslininkai sukūrė ypatingą mikroskopą: leis pamatyti ląstelių struktūras, kurios iki šiol buvo beveik nematomos

Sekite TechNaujienos Google

Kalifornijos universiteto Berklyje mokslininkai sukūrė lazerinę sistemą, kuri elektroniniu mikroskopu leidžia daug aiškiau stebėti itin mažus baltymus. Naujovė gali padėti tirti tas molekulines ląstelės struktūras, kurios iki šiol tyrėjams buvo sunkiai įžiūrimos dėl menko vaizdo kontrasto.

Šis atradimas nėra spalio mėnesio breaking naujiena – universitetas pagrindinį darbą pristatė birželio 11 dieną. Tačiau mokslinis rezultatas reikšmingas, nes susijęs su vienu svarbiausių šiuolaikinės biologijos įrankių – krioelektronine mikroskopija.

Kaip paaiškino UC Berkeley, naujojoje sistemoje naudojama vadinamoji lazerinė fazinė plokštelė. Ji keičia elektronų bangų savybes ir padidina silpnai matomų mėginių kontrastą nepasikliaudama vien vėlesniu skaitmeniniu vaizdo apdorojimu.

Mikroskopijos metu mėginiai atšaldomi iki itin žemos temperatūros, kad būtų išsaugota molekulių struktūra. Tačiau elektronų spindulys pats gali paveikti biologinę medžiagą. Dėl to mokslininkams tenka ieškoti pusiausvyros tarp stipraus signalo ir mėginio apsaugos.

Naujausi straipsniai

5 min. skaitymo • prieš 3 val

Po Japonijos superugnikalniu vėl kaupiasi magma: mokslininkai aptiko procesą po katastrofiško išsiveržimo

4 min. skaitymo • prieš 3 val

Atrodė, kad pacientai nereaguoja į aplinką, bet mokslininkai aptiko neįtikėtiną dalyką: jie galėjo atsakyti mintimis

4 min. skaitymo • prieš 3 val

GPS laukia rimtas konkurentas: JAV startuolis pritraukė 250 mln. dolerių ir paleido šešis navigacijos palydovus

Visi naujausi straipsniai →

Ką iš tiesų pakeičia lazeris

Fazinės plokštelės idėja žinoma optinėje mikroskopijoje, tačiau ją pritaikyti elektronų srautui buvo techniškai sudėtinga. Berklyje sukurtas įrenginys naudoja itin stipriai fokusuojamą lazerio spindulį veidrodžių sistemoje. Tokiu būdu įmanoma pakeisti elektronų bangų fazę ir išryškinti objektus.

Bandymuose mokslininkai tyrė kelis skirtingo dydžio baltymus, įskaitant hemoglobiną. Pagerėjimas ypač svarbus mažesnėms molekulėms, kurios įprastuose mikroskopuose beveik paskęsta foniniame triukšme.

Technologija galėtų būti pritaikoma krioelektroninei tomografijai, kai iš daugelio skirtingų kampų gautų vaizdų rekonstruojamas trimatis struktūros modelis. Tai padėtų geriau suprasti baltymų veikimą sudėtingoje ląstelės aplinkoje.

Vis dėlto naujas lazerio modulis nėra paprastas priedas, kurį galima namuose pritvirtinti prie įprasto mikroskopo. Sistemos kūrimas pareikalavo specializuotos įrangos ir ilgamečių eksperimentų.

Baltymų struktūros žinojimas padeda mokslininkams suprasti, kokie molekuliniai procesai palaiko ląstelės veiklą ir kas pakinta ligos metu. Tačiau net labai aiškus struktūros vaizdas dar neparodo visų dinaminių procesų: molekulės juda, jungiasi ir išsiskiria, o jų elgesys priklauso nuo aplinkos. Todėl naują mikroskopijos įrankį reikia derinti su kitais biologinių tyrimų metodais.

Šios technologijos kūrimas reikalauja sudėtingos optikos ir įrenginių stabilumo. Lazerio sistema turi išlaikyti tikslų poveikį elektronų srautui, o net nedidelis įrangos nestabilumas gali paveikti rezultatą. Dėl to masinis pritaikymas laboratorijose priklausys ir nuo kainos, priežiūros bei specialistų rengimo. Nors tyrimo rezultatai įspūdingi, tai nėra prietaisas, kurį galima per kelis mėnesius įdiegti kiekvienoje medicinos įstaigoje.

Platesniam kontekstui naudinga prisiminti ir robotikos tyrimus, kuriuose naudojami gyvi raumenys. Šios technologijos skirtingos, bet abi rodo, kaip fizikos ir biologijos sąveika atveria naujas inžinerijos galimybes.

Vienas pažangesnės mikroskopijos tikslų yra ne tik atkurti atskirą molekulę, bet ir pamatyti jos veikimą tarp kitų ląstelės komponentų. Biologinėje aplinkoje baltymai dažnai susijungia į trumpalaikius kompleksus, todėl jų struktūros tyrimas izoliuotame mėginyje gali neatskleisti viso proceso. Geresnis kontrastas atveria galimybę stebėti mažesnius objektus jų natūralesniame kontekste. Tačiau tam reikės ne tik naujos optikos, bet ir pažangaus trimatės rekonstrukcijos bei duomenų analizės proceso.

Pagrindinis mokslinis rezultatas jau paskelbtas, bet plačiam naudojimui būtina įvertinti įrangos kainą ir stabilumą. Ne kiekviena laboratorija galės iškart įsigyti pažangų mikroskopą, o tyrėjams teks mokytis naujų kalibravimo procedūrų. Dėl to technologinė revoliucija struktūrinėje biologijoje tikėtina bus laipsniška. Ankstyviausi pranašumai turėtų pasirodyti specializuotuose mokslo centruose, kurie turi pakankamą inžinerinę infrastruktūrą.

Mokslininkams taip pat rūpi, ar rezultatai bus patikimai atkartojami skirtinguose mėginiuose. Vienas iš techninių iššūkių yra itin tikslaus lazerio stabilumo išlaikymas atliekant daugybę matavimų. Tik sėkmingai išsprendus šį klausimą bus galima kalbėti apie platesnį technologijos taikymą įprastose struktūrinės biologijos laboratorijose.

Ką tai reiškia medicinos tyrimams

Norėdami kurti naujus vaistus, tyrėjai dažnai turi žinoti, kokios formos yra tiriamasis baltymas ir kaip jis sąveikauja su kitomis molekulėmis. Aiškesni vaizdai gali padėti atsakyti į klausimus, kuriems dabartiniai metodai ne visada pakankami.

„TechNaujienos.lt“ neseniai skelbė apie virusų dalelių savitvarkos stebėjimą. Tai kitas metodas, tačiau abu tyrimai prisideda prie tikslesnio molekulinių procesų supratimo.

Kol kas svarbiausia naujos sistemos vertė – mokslinė. Ji nėra patvirtinta kaip universali medicinos diagnostikos procedūra, todėl tiesioginės naudos konkrečiam pacientui prognozės būtų pernelyg ankstyvos.

Tolesnių darbų metu bus siekiama dar labiau pagerinti mažų baltymų matomumą ir išbandyti metodą platesnėje biologinių mėginių grupėje. Tokia pažanga galėtų išplėsti struktūrinės biologijos tyrimų ribas.