Новый микроскоп FEI Scios сможет заглянуть внутрь клеток с высоким разрешением

Nanofabrication Cleanroom Facility (Nano3) при Калифорнийском университете в Сан-Диего является первым учреждением, которое обзаведется новейшим двухлучевыми микроскопом FEI Scios с адаптацией для использования при криогенных температурах. Новый микроскоп пригодится в исследованиях самых разных сфер науки, от материаловедения до структурной и молекулярной биологии.

Технический директор Nano3 Бернд Фрубергер объясняет:

«Существует огромный интерес к использованию этого инструмента среди самых различных подразделений Калифорнийского университета. Отделы наноинженерии, материаловедения и аэрокосмической техники, электротехники и вычислительной техники, химии, физики, биологии — все они нуждаются в этом инструменте и принимали активное участие в воплощении его в реальность».

«Этот инструмент предоставляет самые передовые возможности для кросс-секционирования, подготовки участков для просвечивающей электронной микроскопии и более того. Но что действительно отличает его от остальных, это новая возможность работать в криогенных условиях, что позволит клеточным биологам увидеть структуры биологических клеток в более высоком разрешении и лучше понять, как клетки функционируют на молекулярном уровне. Возможно, это проложит путь для новых методов лечения и новых лекарственных препаратов».

Элизабет Вилла, новый доцент кафедры химии и биохимии в Калифорнийском университете в Сан-Диего, вместе с ее коллегами в Институте биохимии Макса Планка (в Германии) адаптировала микроскоп на основе сфокусированного ионного пучка для биологических исследований. Конструкцию приняла голландская компания FEI и воплотила в первом прототипе микроскопа, который Вилла в дальнейшем разрабатывала в Калифорнийском университете совместно с компанией».

Вилла отмечает, что Калифорнийский университет в Сан-Диего установил академическую традицию в области молекулярной визуализации — не в последнюю очередь благодаря работе биохимика Роджера Тсиена. Тсиен получил Нобелевскую премию по химии 2008 года за открытие и разработку зеленого флуоресцентного белка, который произвел революцию в сферах клеточной биологии и нейробиологии, позволив ученым заглянуть внутрь живой клетки и наблюдать за их поведением в режиме реального времени.

«Я занимаюсь похожим, — объясняет Вилла, — только использую электронную микроскопию, которая дает нам изображения с более высоким разрешением. Идея нашего метода заключается в объединении людей, которые занимаются структурной биологией, с людьми, которые занимаются биологией клетки, используя новый инструмент, который позволит нам увидеть структуру клеток с высоким разрешением и лучше понять, что делают молекулы».

Чтобы объяснить разницу между световой микроскопией (с которой работал Тсиен) и ее электронной микроскопией, Вилла использует метафору.

«Световая микроскопия — это как раздать фонари куче людей в городе. Вы можете видеть, где эти люди, но не знаете, что происходит вокруг них. С электронной микроскопией можно увидеть людей с фонарями (молекулы клетки) и здания города (структуру клетки)».

Но у электронной микроскопии есть и обратная сторона медали. Традиционно, чтобы стать видимыми, клетки должны быть заранее подготовлены посредством сушки и окрашивания «толстым слоем краски». Тем не менее большинство клеток слишком толстые, чтобы их можно было изучить таким образом, и именно здесь в игру вступает инструмент Scios. Он позволит Вилле уменьшить толщину клеток до необходимой для электронной микроскопии — порядка нескольких десятых микрона — без создания любых помех и искажений и с сохранением криогенных температур (температуры жидкого азота, как правило).

«Есть люди — вроде профессора нейронауки Марка Эллисмана — которые проводят прекрасную работу, проектируя и используя пятна с краской, но если ваша цель заключается в получении изображений клетки в высоком разрешении, где стоит вопрос в определении структурных деталей, вы хотите избежать нанесения дополнительного слоя краски поверх. Это как если бы вы нанесли на лицо слой краски, а затем пытались подсчитать, сколько ресниц у вас есть».

Вилла сравнивает процесс изучения клетки (обычно эукариотических клеток) при криогенных температурах с «быстрой заморозкой» клеточного «города» из ее предыдущей метафоры.

«Все в клетке замерзает в том положении, в котором находилось, поэтому мы получаем наилучший вид. Среди того, что я изучала, были комплексы ядерных пор, которые являются привратниками ядер. Они удерживают ДНК внутри ядра и подальше от других частей клетки. Нет смысла доставать его из клетки для изучения, поэтому для нас важно заморозить его на месте».

«С методами крио-электронной томографии мы можем создавать трехмерные снимки клеток — томограммы. То, чем я занимаюсь, точно эквивалентно компьютерной томографии, за исключением того, что клетки в миллион раз меньше. Мы можем сделать эти снимки в 3D и рассмотреть на StarCAVE или NextCAVE (в институте Qualcomm), увеличенные и в цвете, хорошо поняв, что происходит».

Вилла добавляет, что еще одним преимуществом крио-электронной микроскопии является возможность вывести клеточную динамику с течением времени — так называемую эргодичность. Она может посмотреть на 3000 ядерных пор, замороженных в разное время, чтобы вывести клеточную динамику, классифицировать всю эту информацию, а затем сделать прогнозы. Затем она может провести эксперимент со световой микроскопией в естественных условиях (с участием живой клетки) и сравнить полученные данные с прогнозами и предыдущим анализом.

Вилла отмечает, что использование двойного луча Scios для нанообработки биологического материала, на ее взгляд, это «угон инструмента, которые материаловеды используют все время для нанофабрикации материалов».

Микроскоп Scios будет способствовать и изучению нейродегенеративных заболеваний, а также исследованиям, касающимся рака и сердечных заболеваний.

«Разного рода возмущения или фенотипы, связанные с болезнями или процессом выздоровления, можно исследовать с микроскопом Scios. Важно отметить, что это только первый шаг, но он приведет нас в очень интересное место: ведь мы хотим увидеть молекулярные структуры в их естественной связи. От уровня клетки до всего организма».