Самые мелкие участники процессов в вашем теле долгое время скрывались во тьме. Но не больше.
Новый трюк с использованием лазеров может наконец вытащить их на свет. На протяжении многих лет, даже наши самые мощные микроскопы не могли четко сфокусироваться на большей части белков человека. Они слишком малы. Слишком тихие.
Физики из Калифорнийского университета в Беркли только что изменили правила игры. Они адаптировали почти столетнюю технику визуализации — фазовый контраст — для современного «зверя», известного как криоэлектронная микроскопия (крио-ЭМ). Используя лазерную фазовую пластину, они смещают фазу электронного пучка. Они не ослабляют его. Они делают его четче.
Почему это важно
«Ожидается, что крио-ЭТ покажет, как молекулы взаимодействуют в их естественной клеточной среде… Увеличение отношения сигнал/шум… должно преодолеть эти важные ограничения», — говорит Хольгер Мюллер.
Хольгер Мюллер не просто предсказывает. Он руководил созданием установки. Команда улучшила контрастность, не уничтожая интенсивность пучка. Это означает, что такие маленькие молекулы, как гемоглобин, теперь действительно выделяются. В переполненном хаосе живой клетки? Раньше это было невозможно.
Бриджит Керрагер говорит об этом прямо. Заглядывать внутрь клетки — это как искать конкретный лист в густом лесу. Крио-ЭТ требовала огромного скачка в четкости. Эта лазерная пластина дает именно то, что нужно.
«Это как лес… попытка найти один листок… Theia обещает дать нам именно это», — говорит Керрагер.
Создание «Theia»
Они просто не подкрутили старую машину. Они построили новую. Ее назвали Theia, в честь титаниды света.
При поддержке Biohub, Theia — это кастомизированный микроскоп Thermo Fisher. Это, по сути, болид «Формулы-1» для науки. Мюллер шутит, что это уже лучший стандартный крио-ЭМ в мире, даже без лазерной магии. С лазером? Еще лучше.
Они уже работают над версией 2. Два перпендикулярных лазера. Меньшая мощность. Меньше искажений. Меньше тепловых повреждений. Цель проста. Надежность. Яркость.
Старые технологии, новый поворот
Вот ирония. Сама идея совсем не нова.
Все началось в 1930 году с Фритса Цернике, голландского физика. Он понял, что свет изменяет свою фазу, проходя сквозь объекты, а не только свою яркость. Он сместил нерассеянный свет. Внезапная ясность. Без окрашивания. За это он получил Нобелевскую премию.
Ученые пытались повторить это для электронов десятилетиями назад. Не вышло. Ранние попытки ослабляли пучки, размывали разрешение или просто ломались.
В 2010 году. Мюллер и Роберт Глейзер предложили лазерное решение. Они были на шаг впереди времени. Очень далеко впереди.
Чверть века ожидания
Прошло пятнадцать лет. Пятнадцать лет изнурительной работы, улавливания и фокусировки.
Команда заключила лазер в сферическую полость. Зеркала повсюду. Свет отражается десять тысяч раз. Он сжимается.
Семьдесят пять киловатт. Сфокусированные на пятне шириной в несколько микрон.
Это больше мощности, чем у сварочного горелки. Больше, чем у лазеров военного класса. Это создает самую яркую непрерывную лазерную фокусировку, когда-либо созданную кем-либо.
Тесты оказались многообещающими. Они использовали альдолазу, которая была проста для старых технологий, и гемоглобин, проверяющий пределы возможностей. Изображение гемоглобина улучшилось драматически.
Маленькие частицы? Плохие образцы? Лазер дает здесь существенное преимущество.
Прорыв лимита
Сейчас крио-ЭМ испытывает трудности с объектами ниже 70 килодальтонов. И все же почти 90 процентов человеческих белков попадают в эту крошечную категорию. Невидимые для науки.
С лазерной фазовой пластиной Theia? Теперь мы можем достигнуть 50 килодальтонов. Это сложная работа. Но видимая.
Мюллер хочет опуститься еще ниже. Он целится на 17 килодальтонов — размер миоглобина. Дальнейшие настройки фокуса электронов могут удвоить выигрыш в контрастности еще раз.
«То, что было невидимо, станет видимым», — отмечает Стефани Отте.
Подумайте об этом.
Впервые мы можем видеть молекулярные машины в действии. В контексте. В реальной жизни. Механизмы болезней, которые раньше были призраками, теперь имеют лица.
Изменит ли это биологию? Скорее всего. Мы просто еще не закончили смотреть.
