Najmniejsi uczestnicy procesów zachodzących w Twoim organizmie od dawna kryją się w ciemności. Ale nie więcej.
Nowa sztuczka z wykorzystaniem laserów może w końcu wydobyć je na światło dzienne. Przez wiele lat nawet nasze najpotężniejsze mikroskopy nie były w stanie wyraźnie skupić się na większości ludzkich białek. Są za małe. Za cicho.
Fizycy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley właśnie zmienili zasady gry. Zaadaptowali prawie stuletnią technikę obrazowania – kontrast fazowy – do współczesnej bestii znanej jako mikroskopia krioelektronowa (cryo-EM). Za pomocą laserowej płytki fazowej przesuwają fazę wiązki elektronów. Nie osłabiają go. Sprawiają, że jest to jaśniejsze.
Dlaczego to jest ważne?
„Oczekuje się, że Cryo-ET pokaże, jak cząsteczki oddziałują na siebie w swoim naturalnym środowisku komórkowym… Zwiększenie stosunku sygnału do szumu… powinno przezwyciężyć te ważne ograniczenia”, mówi Holger Müller.
Holger Müller nie tylko przewiduje. Nadzorował powstawanie instalacji. Zespół poprawił kontrast bez niszczenia intensywności wiązki. Oznacza to, że faktycznie uwalniane są małe cząsteczki, takie jak hemoglobina. W zatłoczonym chaosie żywej celi? Wcześniej było to niemożliwe.
Bridget Carragher mówi to wprost. Zaglądanie do wnętrza komórki jest jak szukanie konkretnego liścia w gęstym lesie. Cryo-ET wymagał ogromnego skoku w przejrzystości. Ta płyta laserowa robi dokładnie to, czego potrzebujesz.
„To jak las… próbujący znaleźć jeden liść… Theia obiecuje, że nam go właśnie da”, mówi Carragher.
Stworzenie „Theii”
Po prostu nie poprawili starego samochodu. Zbudowali nowy. Została nazwana Theia, na cześć Tytanii Światła.
Wspierany przez Biohub, Theia to niestandardowy mikroskop Thermo Fisher. Zasadniczo jest to samochód Formuły 1 do celów naukowych. Müller żartuje, że jest to już najlepszy standardowy krio-EM na świecie, nawet bez magii laserowej. Z laserem? Jeszcze lepiej.
Pracują już nad wersją 2. Dwa prostopadłe lasery. Mniej mocy. Mniej zniekształceń. Mniejsze uszkodzenia termiczne. Cel jest prosty. Niezawodność. Jasność.
Stare technologie, nowy zwrot akcji
Oto ironia. Sam pomysł wcale nie jest nowy.
Wszystko zaczęło się w 1930 roku od Fritsa Zernike, holenderskiego fizyka. Uświadomił sobie, że światło zmienia swoją fazę, przechodząc przez obiekty, a nie tylko swoją jasność. Wypierało nierozproszone światło. Nagła jasność. Bez kolorowania. Za to otrzymał Nagrodę Nobla.
Naukowcy próbowali odtworzyć to dla elektronów kilkadziesiąt lat temu. Nie wyszło. Wczesne próby osłabiały promienie, zamazały rozdzielczość lub po prostu się zepsuły.
W 2010 roku Müller i Robert Glaser zaproponowali rozwiązanie laserowe. Byli o krok przed swoją epoką. Bardzo daleko przed nami.
Ćwierć wieku czekania
Minęło piętnaście lat. Piętnaście lat wyczerpującej pracy, uchwycenia i skupienia.
Zespół zamknął laser w kulistej wnęce. Lustra są wszędzie. Światło odbija się dziesięć tysięcy razy. Kurczy się.
Siedemdziesiąt pięć kilowatów. Skoncentrowany na miejscu o szerokości kilku mikronów.
To większa moc niż palnik spawalniczy. Więcej niż lasery klasy wojskowej. Tworzy to najjaśniejsze, ciągłe skupienie lasera, jakie kiedykolwiek stworzono.
Testy wypadły obiecująco. Użyli aldolazy, która była prosta w przypadku starej technologii, i hemoglobiny, która testowała granice tego, co było możliwe. Obraz hemoglobiny poprawił się radykalnie.
Małe cząstki? Złe próbki? Laser zapewnia tutaj znaczącą przewagę.
Przerwa w ograniczeniu
Obecnie Cryo-EM ma trudności z obiektami o masie poniżej 70 kilodaltonów. Jednak prawie 90 procent ludzkich białek należy do tej małej kategorii. Niewidzialny dla nauki.
Z laserową płytką fazową Theia? Teraz możemy osiągnąć 50 kilodaltonów. To trudna praca. Ale widoczne.
Müller chce zejść jeszcze niżej. Jego celem jest 17 kilodaltonów, czyli wielkość mioglobiny. Dalsze korekty ogniskowania elektronów mogą ponownie podwoić wzmocnienie kontrastu.
„To, co było niewidzialne, stanie się widoczne” – zauważa Stephanie Otte.
Pomyśl o tym.
Po raz pierwszy możemy zobaczyć maszyny molekularne w akcji. W kontekście. W prawdziwym życiu. Mechanizmy chorobowe, które kiedyś były duchami, mają teraz twarze.
Czy to zmieni biologię? Bardziej prawdopodobne. Po prostu jeszcze nie skończyliśmy oglądać.
