Завдяки новому революційному методу візуалізації дослідники Інституту наукових приладів Чеської академії наук (CAS) у співпраці з Інститутом експериментальної ботаніки CAS досягли того, чого прагнули фахівці провідних лабораторій усього світу. для. Виявлення структури поверхні хромосом, що складається з виступів і хроматину волокон, просторово організованих в петлі, може мати потенційне значення для таких областей, як медицина і сільське господарство. Новий метод візуалізації віщує значні покращення в електронній мікроскопії для наукової спільноти.
Результати багаторічних досліджень чеських учених опубліковані у журналі Scientific Reports.
Після багатьох років досліджень і спроб лабораторій по всьому світу отримати зображення біологічних зразків з високим дозволом у їхньому природному стані, чеські вчені знайшли рішення. Нещодавно розроблений метод удосконаленої сканувальної електронної мікроскопії навколишнього середовища (A-ESEM) відкриває нові можливості для вивчення неживої матерії, але, що більш важливо, живої матерії.
Донедавна просторова ультраструктура біологічних та небіологічних матеріалів з роздільною здатністю до однієї мільйонної міліметра відображалася за допомогою сканувальної електронної мікроскопії (СЕМ), яка потребує спостереження за зразками у високому вакуумі. Це вимагає обробки, яка може пошкодити структуру зразків і унеможливити їх спостереження в нативному стані.
Як машина, яка теж може їздити по воді й перетворюватися на підводний човен
Метод візуалізації A-ESEM дозволяє вивчати практично всі типи живих зразків: клітини рослин та частково клітини тварин у нативному стані, дрібних живих тварин, гриби, плісняву, кліщів, бактерії та білкові молекули, вивчати віруси. Крім того, він дозволяє відстежувати динамічні зміни зразків через зміни температури, висихання, хімічних реакцій, фізичних процесів та стимулів.
«Звичайний мікроскоп можна порівняти з розкішним автомобілем, а екологічний сканувальний електронний мікроскоп — це розкішний автомобіль, який «тюнінгований» і оснащений ще кращими характеристиками, тому він також може їздити по воді та перетворюватися на підводний човен. Він має всі функції класичного мікроскопа, а також багато інших», — пояснює Вілем Недела, керівник групи електронної мікроскопії навколишнього середовища Інституту наукових приладів КАН, що розробила метод.
«Ми використовуємо програмне забезпечення на базі штучного інтелекту, яке нагадує нам, як встановити певні параметри візуалізації, щоб не пошкодити зразок. Ми використовували багато наших власних інновацій і завдяки надчутливим детекторам ми спостерігаємо зразки в умовах низьких доз, високого тиску газу та вологості до 100%; тобто в екологічно безпечних умовах – дуже обережно, не завдаючи їм жодної шкоди», – зазначає Недела.
А-ЭСЭМ є найбільш універсальною з усіх методів електронної мікроскопії й може бути використана для підготовки та подальшого фізико-хімічного аналізу проб. За словами Недела, вона навіть швидше, дешевше і придатніша для вивчення динамічних змін у біологічних зразках, ніж кріоелектронна мікроскопія, нагороджена Нобелівською премією у 2017 році. «Цей новий метод розв'язує фундаментальне питання передбачуваної несумісності електронної мікроскопії з наявністю рідкої води у зразку, що спостерігається. Ось чому вона підходить для візуалізації живих організмів, а також надзвичайно чутливих наноструктур та наношарів у високій роздільній здатності», — пояснює Недела.
Важливе відкриття для здоров'я людини та рослин
Потенціал нового методу візуалізації був перевірений вченими спільно з Інститутом експериментальної ботаніки КАН шляхом вивчення хромосом – мікроскопічних структур, що зберігають спадкову інформацію та передають її дочірнім клітинам та потомству.
Під час поділу клітин хромосоми конденсуються в мікроскопічні паличкоподібні структури. Протягом багатьох років дослідницькі групи по всьому світу намагалися розкрити наноструктуру хромосом – але безрезультатно, оскільки всі доступні на сьогодні методи вимагали радикальної обробки зразків хімікатами, сушіння, нанесення покриття або заморожування з наступною сублімацією льоду. Оскільки поверхневий шар хромосоми надзвичайно чутливий, під час таких спостережень він або пошкоджувався, або повністю видалявся.
«Лише нещодавно розроблений метод A-ESEM показав, що поверхня конденсованих хромосом густо вкрита численними виступами, петлеподібними утвореннями хроматину волокон, розміром в середньому близько 30 нанометрів. Таке просторове розташування поверхні хромосом спостерігається вперше. Крім того, ймовірно, що нам вдалося візуалізувати нуклеосоми розміром всього 12 нм, на які, як на котушку, намотана молекула ДНК», — додає генетик рослин Ярослав Долежель, керівник залученої дослідницької групи в Інституті Експериментальної ботаніки КАН.
Результати розширюють наше розуміння молекулярної наноструктури мікроскопічних утворень – хромосом – які передають спадкову інформацію батьків до потомства. Хромосомні аномалії людина викликають генетичні порушення, а сільськогосподарських культур – до зниження плодючості та врожайності. Детальна візуалізація поверхневої структури хромосом дозволить по-новому поглянути на структуру генетичного апарату, виявити структурні дефекти та сприяти створенню синтетичних організмів зі штучно створеною генетичною інформацією.
Застосування нового методу візуалізації
Досяжний дозвіл A-ESEM при вивченні хромосом можна порівняти з роздільною здатністю сканувальної електронної мікроскопії (SEM) у її вакуумних умовах, що, на думку Недела, могло б істотно вплинути на світовий ринок електронних мікроскопів. «Можливість поєднання A–ESEM з іншими методами візуалізації, включаючи світлову мікроскопію, дозволить дослідникам візуалізувати та функціонально аналізувати не лише хромосоми, а й інші біологічні об'єкти у їхньому нативному стані. Практичний вплив потенційного широкого впровадження нового методу A-ESEM нині не оцінюється. В Інституті наукових приладів КАН ми переконані, що це одне з найважливіших відкриттів, які будь-коли зробили в нашому інституті, і революційний крок вперед для електронної мікроскопії в цілому», — робить висновок Недела.
Джерела: The Czech Academy of Sciences
