Найдрібніші учасники процесів у вашому тілі довгий час переховувалися у темряві. Але не більше.
Новий трюк з використанням лазерів може нарешті витягнути їх у світ. Протягом багатьох років навіть найпотужніші мікроскопи не могли чітко сфокусуватися на більшій частині білків людини. Вони надто малі. Занадто тихі.
Фізики з Каліфорнійського університету в Берклі щойно змінили правила гри. Вони адаптували майже сторічну техніку візуалізації – фазовий контраст – для сучасного «звіра», відомого як кріоелектронна мікроскопія (кріо-ЕМ). Використовуючи лазерну фазову пластину вони зміщують фазу електронного пучка. Вони не послаблюють його. Вони роблять його чіткішим.
Чому це важливо
«Очікується, що кріо-ЕТ покаже, як молекули взаємодіють у їхньому природному клітинному середовищі… Збільшення відношення сигнал/шум… має подолати ці важливі обмеження», — каже Хольгер Мюллер.
Хольгер Мюллер не просто пророкує. Він керував створенням установки. Команда покращила контрастність, не знищуючи інтенсивність пучка. Це означає, що такі маленькі молекули, як гемоглобін, тепер справді виділяються. У переповненому хаосі живої клітки? Раніше це було неможливо.
Бріджіт Керрагер говорить про це прямо. Заглядати всередину клітини – це як шукати конкретний лист у густому лісі. Кріо-ЕТ вимагала величезного стрибка у чіткості. Ця лазерна пластина дає те, що потрібно.
«Це як ліс… спроба знайти один аркуш… Theia обіцяє дати нам саме це», — каже Керрагер.
Створення «Theia»
Вони просто не підкрутили стару машину. Вони збудували нову. Її назвали Theia, на честь титаніди світла.
За підтримки Biohub, Theia – це кастомізований мікроскоп Thermo Fisher. Це, насправді, болід «Формули-1» для науки. Мюллер жартує, що це вже найкращий стандартний кріо-ЕМ у світі, навіть без лазерної магії. З лазером? Ще краще.
Вони вже працюють над версією 2. Два перпендикулярні лазери. Найменша потужність. Менше спотворень. Менше теплових ушкоджень. Ціль проста. Надійність. Яскравість.
Старі технології, новий поворот
Ось іронія. Сама ідея зовсім не нова.
Все почалося 1930 року з Фрітса Церніке, голландського фізика. Він зрозумів, що світло змінює свою фазу, проходячи крізь об’єкти, а не лише свою яскравість. Він змістив нерозсіяне світло. Раптова ясність. Без фарбування. За це він отримав Нобелівську премію.
Вчені намагалися повторити це для електронів десятиліттями тому. Чи не вийшло. Ранні спроби послаблювали пучки, розмивали дозвіл чи просто ламалися.
2010 року. Мюллер та Роберт Глейзер запропонували лазерне рішення. Вони були на крок попереду часу. Дуже далеко попереду.
Чверть століття очікування
Минуло п’ятнадцять років. П’ятнадцять років виснажливої роботи, уловлювання та фокусування.
Команда уклала лазер у сферичну порожнину. Дзеркала всюди. Світло відбивається десять тисяч разів. Він стискається.
Сімдесят п’ять кіловат. Сфокусовані на плямі завширшки кілька мікрон.
Це більше потужності, ніж у зварювального пальника. Більше, ніж у лазерів воєнного класу. Це створює найяскравіше безперервне лазерне фокусування, коли-небудь створене ким-небудь.
Тести виявилися багатообіцяючими. Вони використовували альдолазу, яка була простою для старих технологій, і гемоглобін, що перевіряє межі можливостей. Зображення гемоглобіну покращилося драматично.
Маленькі частки? Погані зразки? Лазер дає тут значну перевагу.
Прорив ліміту
Зараз кріо-ЕМ зазнає труднощів з об’єктами нижче 70 кілодальтонів. І все-таки майже 90 відсотків людських білків потрапляють у цю крихітну категорію. Невидимі для науки.
З лазерною фазовою пластиною Theia? Тепер ми можемо досягти 50 кілодальтонів. Це складна робота. Але видима.
Мюллер хоче опуститися ще нижче. Він цілиться на 17 кілодальтонів – розмір міоглобіну. Подальші налаштування фокусу електронів можуть подвоїти виграш у контрастності ще раз.
«Те, що було невидимо, стане видимим», — зазначає Стефані Отте.
Подумайте про це.
Вперше ми можемо бачити молекулярні машини у дії. У контексті. У реальному житті. Механізми хвороб, які раніше були примарами, тепер мають обличчя.
Чи змінить це біологію? Швидше за все. Ми просто ще не перестали дивитися.
