Многолетняя работа команды ученых из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета в Беркли привела к созданию уникальной системы, способной радикально изменить подход к изучению биологических структур.
Разработка, ставшая плодом более чем пятнадцати лет теоретических изысканий и инженерных экспериментов при поддержке Biohub, позволяет преодолеть ограничения существующих методов визуализации.
Технологический прорыв в криоэлектронной микроскопии
В основе нового метода лежит адаптация техники фазового контраста для криоэлектронной микроскопии (cryo-EM). Ключевым элементом системы, получившей название Theia, стала лазерная фазовая пластина.
Она интегрирована в микроскоп, разработанный компанией Thermo Fisher Scientific, и позволяет получать изображения с увеличением, примерно в десять тысяч раз превышающим возможности световой микроскопии. Это особенно важно для визуализации молекул, которые оставались трудноразличимыми даже для самых современных cryo-EM установок.
Конструкция нового прибора была тщательно оптимизирована для использования всей мощи сверхяркого лазера. Результатом стали изображения, отличающиеся значительно более высокой резкостью и детализацией. Как отмечают разработчики, такое качество снимков позволяет программному обеспечению для структурного анализа строить гораздо более точные атомные модели исследуемых объектов, что критически важно для понимания их функций в биологии и механизмов развития заболеваний.
От теории к практике: демонстрация возможностей
Для проверки эффективности системы ученые провели эксперименты с двумя белками: альдолазой из мышечной ткани и гемоглобином — белком крови, отвечающим за перенос кислорода.
Гемоглобин представляет собой особенно сложную задачу для визуализации, так как относится к числу небольших белков и находится на пределе разрешающей способности стандартных cryo-EM систем, что делает его идеальным эталоном для оценки новой технологии.
Эксперименты наглядно продемонстрировали, что применение лазерной фазовой пластины значительно улучшает разрешение структуры обоих белков. Однако наиболее впечатляющий эффект был достигнут именно для гемоглобина.
Профессор физики Калифорнийского университета в Беркли Хольгер Мюллер, руководитель проекта, отметил: «Раньше изучение структур с помощью cryo-EM напоминало попытку рассматривать картины в темной галерее, а новая система словно впервые включает свет в помещении».
Он также подчеркнул, что выигрыш от использования технологии особенно заметен для сложных объектов, в то время как для идеально подготовленных образцов разница менее критична.
В настоящее время система Theia установлена в Калифорнийском университете в Беркли. Следующим этапом для команды исследователей станет адаптация микроскопа для метода криоэлектронной томографии (cryo-ET). Этот подход, подобно медицинской компьютерной томографии, объединяет множество снимков, сделанных под разными углами, для создания объемной трехмерной картины.
По мнению специалистов, это позволит изучать молекулы непосредственно внутри клеток в их естественном состоянии, что откроет беспрецедентные возможности для анализа сложных клеточных процессов и создания точных трехмерных моделей биологических структур.
