Нанорозмірний датчик сили покращує високоточну мікроскопію

Нанорозмірний датчик сили покращує високоточну мікроскопію

Мітка часу: 21 серпня 2023 р., 11:52
Вихідний вузол: 2836731
21 серпня 2023 (Новини Nanowerk) Останні дослідження клітинної біології підкреслюють новаторські результати. Міжнародна група дослідників нещодавно створила розроблений ними інструмент для вивчення механіки клітини. Інструмент можна використовувати для вивчення внутрішніх сил клітини, наприклад, розтягнення ядерної мембрани. Мікроскопічний датчик сили довжиною всього 0.00002 мм складається з екзотичних інгредієнтів, таких як частини білка павутини, флуоресцентні білки медуз і антитіла альпаки. Крім того, багатопрофільна команда дослідників розробила чутливість техніки мікроскопії з високою роздільною здатністю. У багатьох випадках клітини дуже активно рухаються і служать генераторами енергії. Здатність клітин виробляти фізичні сили є однією з основних функцій організму. Під час бігу, наприклад, сили, що виникають у клітинах, змушують м’язи скорочуватися, а дихання працювати. За допомогою датчиків сили, розроблених у минулому, можна було виміряти навіть сили, які діють на окремі білки, але раніше внутрішньоклітинні сили та механічні напруги не могли бути виміряні. Флуоресцентно мічені клітинні ядра, зображені за допомогою конфокального мікроскопа Флуоресцентно мічені клітинні ядра, зображені за допомогою конфокального мікроскопа. Розмір зображення приблизно 0.03 мм x 0.02 мм. (Зображення: Teemu Ihalainen) Разом із вченими з Університету штату Огайо OSU дослідники клітинної біології з Університету Тампере розробили датчик сили, який можна прикріпити до білка, що механічно реагує, що дозволяє йому відчувати сили та напругу білка всередині клітини. Розробка датчика мікророзміру почалася під час конференції в грудні 2019 року. «Поки ми були за обідом, у нас виникла ідея нового типу датчика. Датчик потужності схожий на гумку, яка змінює колір при розтягуванні. Ця частина прикріплена до антитіл на обох кінцях гумової стрічки, які зв’язуються з досліджуваним клітинним білком-мішенню. Силу або подовження досліджуваного білка потім можна виявити під мікроскопом, простеживши за подовженням гумової стрічки, тобто за кольором, який вона виробляє», — каже Теему Іхалайнен, старший науковий співробітник BioMediTech в Університеті Тампере. За словами Іхалайнена, датчик сили, який має розмір лише близько двадцяти нанометрів, може бути легко узагальнений для широкого спектру досліджень клітинної біології та різних цільових білків. За допомогою білкового біосенсора можна виміряти сили, наприклад, у ядерній мембрані, між різними білками або взагалі в цитоскелеті клітини. Це дозволяє вперше трансформувати механіку клітини у видиму форму. Цією технологією вже виявлено великий інтерес у різних лабораторіях Японії, Індії, Норвегії та США.

Внутрішні сили клітини надають інформацію про механізм раку

Клітини постійно піддаються впливу сил, як при нормальних функціях організму, так і при захворюваннях. Коли ракова клітина росте та рухається, наприклад, клітини піддаються механічній силі. Коли рак поширюється, наприклад, коли він потрапляє в кровоносні або лімфатичні судини, ракова клітина повинна протиснутися через вузькі щілини свого мікрооточення. Таким чином, ракові клітини піддаються потужним силам стиснення та розтягування, які можуть зруйнувати деякі клітини. Пошкодження ядра може змінити структуру його геному, що в деяких ситуаціях може бути навіть сприятливим для розвитку раку. «За допомогою датчиків механізм раку та пов’язані з ним процеси можна контролювати з абсолютно нової точки зору», — згадує Іхалайнен. Дослідження було опубліковано в Природа зв'язку («Деформовані стани ядерної пластинки, виявлені біосенсором міжмолекулярних сил»). датчик внутрішньоклітинної сили На зображенні зліва показаний принцип дії датчика внутрішньоклітинної сили. Флуоресцентні білки (жовтий і блакитний) походять від медуз, тоді як частина гумової стрічки (чорна) використовує білок павутини. Антитіла, що зв’язують цільовий білок (темно-коричневі), отримують з альпак. На зображенні праворуч представлено порівняння мікроскопії з високою роздільною здатністю та звичайної мікроскопії клітинного ядра. (Зображення: Teemu Ihalainen)

Навіть найдрібніші деталі можна побачити за допомогою мікроскопа з високою роздільною здатністю

Ще одне недавнє дослідження удосконалило розширювальну мікроскопію, поєднавши досвід клітинної біології та обробки сигналів. Окрім дослідників клітинної біології, у дослідженні брали участь фахівці з обробки зображень з факультету інженерії та природничих наук Університету Тампере та вірусологи з Університету Ювяскюля. Роздільна здатність світлової мікроскопії обмежена, оскільки деталі дрібних структур у зразку розмиті через взаємодію лінз і світла. Однак різні методи мікроскопії з високою роздільною здатністю дозволяють відокремити дуже дрібні деталі. Одним із цих методів є так звана розширювальна мікроскопія, принцип якої полягає у фізичному збільшенні об’єкта, напр. клітинку, і таким чином дивитися на крихітні речі всередині неї. На практиці зразок відливають у м’який гель, який можна розширити вчетверо і більше, і він також збільшує всі деталі зразка. «Однак проблема полягає в тому, що чим менші деталі клітини досліджуються, тим менше молекул видно. Це означає, що зі зразка було отримано менше сигналу, тобто інформації, і зазвичай було багато шуму, трохи схожого на сніг на екрані телевізора», — каже Іхалайнен. Дослідницька група виявила, що вирішенням проблеми може стати повторне флуоресцентне мічення клітин. Вони придумали багато разів позначати цільові білки, щоб зробити їх яскравішими та надати більше інформації. «На практиці ми накачували більше флуоресцентних молекул до цільових білків, ніби ми додавали відбивачі. Простий і легкий метод значно покращив роздільну здатність і контрастність зображення. Шум також було видалено із зображень за допомогою обчислень, що ще більше підвищило чіткість зображення», – згадує він. На відміну від багатьох методів мікроскопії з високою роздільною здатністю, розширена мікроскопія не потребує дорогих інструментів і проста у застосуванні. Техніка, розроблена дослідниками, особливо корисна для вивчення справді дрібних деталей. Подивитися на структуру 120-нанометрового вірусу герпесу, наприклад, тепер можливо навіть за допомогою світлового мікроскопа. За допомогою традиційної світлової мікроскопії віруси видно лише як окремі точки. Дослідження було опубліковано в Молекулярна біологія клітини («Ітераційне імунне фарбування в поєднанні з розширювальною мікроскопією та обробкою зображень виявляє наноскопічну мережеву організацію ядерної пластинки»). «Обидва ці дослідження є фундаментальними. Ми шукаємо розуміння принципу роботи клітин. Тому фінансування досліджень, отримане від Дослідницької ради Фінляндії, і можливість працювати в Інституті передових досліджень Тампере (IAS) були надзвичайно важливими факторами в цих проектах», – зазначає Іхалайнен.

Часова мітка:

Більше від Нановерк