Nejmenší účastníci procesů ve vašem těle se odedávna schovávali ve tmě. Ale už ne.
Nový trik využívající lasery je možná konečně vynese na světlo. Po mnoho let se ani naše nejvýkonnější mikroskopy nedokázaly jasně zaměřit na většinu lidských proteinů. Jsou příliš malé. Příliš tichý.
Fyzici z Kalifornské univerzity v Berkeley právě změnili pravidla hry. Upravili téměř století starou zobrazovací techniku – fázový kontrast – pro moderní šelmu známou jako kryo-elektronová mikroskopie (kryo-EM). Pomocí laserové fázové desky posouvají fázi elektronového paprsku. Neoslabují to. Dělají to jasnější.
Proč je to důležité?
„Očekává se, že Cryo-ET ukáže, jak molekuly interagují ve svém přirozeném buněčném prostředí… Zvýšení poměru signálu k šumu… by mělo překonat tato důležitá omezení,“ říká Holger Müller.
Holger Müller nejen předpovídá. Dohlížel na tvorbu instalace. Tým zlepšil kontrast, aniž by narušil intenzitu paprsku. To znamená, že se nyní skutečně uvolňují malé molekuly, jako je hemoglobin. V přeplněném chaosu živé buňky? Dříve to nebylo možné.
Bridget Carragher to říká na rovinu. Dívat se do buňky je jako hledat konkrétní list v hustém lese. Cryo-ET vyžadoval obrovský skok v jasnosti. Tato laserová deska dělá přesně to, co potřebujete.
“Je to jako les… snažím se najít jeden list… Theia nám slíbila, že nám to dá,” říká Carragher.
Vytvoření “Theia”
Prostě staré auto nevyladili. Postavili nový. Dostala jméno Theia, po Titanidu světla.
Theia, podporovaná společností Biohub, je vlastní mikroskop Thermo Fisher. Toto je v podstatě vůz formule 1 pro vědu. Müller žertuje, že to už je nejlepší standardní kryo-EM na světě i bez laserové magie. S laserem? Ještě lepší.
Už se pracuje na verzi 2. Dva kolmé lasery. Menší výkon. Menší zkreslení. Menší tepelné poškození. Cíl je jednoduchý. Spolehlivost. Jas.
Staré technologie, nový obrat
Tady je ironie. Myšlenka sama o sobě není vůbec nová.
Všechno to začalo v roce 1930 Fritsem Zernikem, holandským fyzikem. Uvědomil si, že světlo při průchodu předměty mění svou fázi, nejen svou jasnost. Vytlačilo to nerozptýlené světlo. Náhlá jasnost. Žádné barvení. Za to dostal Nobelovu cenu.
Vědci se to pokusili replikovat pro elektrony před desítkami let. Nevyšlo to. První pokusy zeslabily paprsky, rozmazaly rozlišení nebo se prostě zlomily.
V roce 2010 Müller a Robert Glaser navrhli laserové řešení. Byli o krok před svou dobou. Hodně dopředu.
Čtvrt století čekání
Uplynulo patnáct let. Patnáct let vyčerpávající práce, zachycení a soustředění.
Tým uzavřel laser do kulové dutiny. Zrcadla jsou všude. Světlo se odráží deset tisíckrát. Stáhne se.
Sedmdesát pět kilowattů. Zaostřeno na místo několik mikronů široké.
To je větší výkon než svařovací hořák. Více než jen vojenské lasery. To vytváří nejjasnější souvislé laserové ostření, jaké kdy kdokoli vytvořil.
Testy dopadly slibně. Použili aldolázu, která byla pro starou technologii jednoduchá, a hemoglobin, který testoval hranice možného. Obraz hemoglobinu se dramaticky zlepšil.
Malé částice? Špatné vzorky? Laser zde poskytuje významnou výhodu.
Limit Break
Cryo-EM má v současné době potíže s objekty pod 70 kilodaltonů. Přesto téměř 90 procent lidských proteinů spadá do této malé kategorie. Pro vědu neviditelné.
S laserovou fázovou deskou Theia? Nyní můžeme dosáhnout 50 kilodaltonů. Je to těžká práce. Ale viditelné.
Müller chce jít ještě níž. Míří na 17 kilodaltonů, což je velikost myoglobinu. Další úpravy elektronového ohniska mohou zisk kontrastu opět zdvojnásobit.
„Co bylo neviditelné, stane se viditelným,“ poznamenává Stephanie Otte.
Přemýšlejte o tom.
Poprvé můžeme vidět molekulární stroje v akci. V kontextu. V reálném životě. Mechanismy onemocnění, které bývaly duchy, mají nyní tváře.
Změní to biologii? Pravděpodobnější. Jen ještě nekončíme sledováním.
