Физики из Калифорнийского университета в Беркли перенесли принцип фазового контраста, за который в 1953 году была вручена Нобелевская премия, в электронную микроскопию. Разработанное ими устройство — лазерная фазовая пластина — способно заметно повысить качество криоэлектронной микроскопии (cryo-EM, криоэлектронная микроскопия), сообщает ScienceDaily. Этот метод визуализации за последнее десятилетие изменил изучение структуры белков и ускорил поиск лекарств, однако у него есть серьёзное ограничение: большинство человеческих белков слишком малы, чтобы получать их чёткие изображения.
Новая лазерная технология помогает преодолеть это препятствие и позволяет получать снимки белков, которые примерно втрое меньше тех, что доступны нынешним микроскопам. Ещё больший эффект ожидается от улучшения криоэлектронной томографии (cryo-ET, криоэлектронная томография) — более нового подхода, который объединяет снимки с разных ракурсов и строит трёхмерные изображения белков и других молекул. В отличие от методов, изучающих изолированные молекулы в растворе, cryo-ET показывает, как белки расположены и взаимодействуют в естественном клеточном окружении.
«Cryo-EM стала новым, самым быстрорастущим методом определения структуры биологических макромолекул, а cryo-ET должна показать, как эти молекулы работают вместе в естественном клеточном контексте, — приводит издание слова руководителя разработки Хольгера Мюллера, профессора физики в UC Berkeley и научного сотрудника Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. — Но из-за ограничений соотношения сигнал/шум большинство человеческих и животных белков слишком малы для анализа этими методами. Повышение соотношения сигнал/шум, которое даёт лазерная фазовая пластина, должно преодолеть эти важные ограничения».
В основе разработки лежит, как утверждают исследователи, самый интенсивный в мире сфокусированный непрерывный лазер. Он не просто подсвечивает образец, а напрямую взаимодействует с электронным пучком микроскопа, меняя его фазу и повышая контраст изображения. Это облегчает распознавание небольших молекул, включая гемоглобин, на фоне окружения, а также улучшает видимость структур внутри клеток, таких как ядро и митохондрии.
«В cryo-ET мы смотрим на маленький, очень сложный клеточный материал, который невероятно плотно упакован внутри клетки, — сказала Бриджет Каррагхер, первый технический директор по визуализации Biohub в Редвуд-Сити (Калифорния). — Это как лес деревьев, и вы пытаетесь найти один лист на одном дереве. Cryo-ET нужен резкий скачок контраста, чтобы мы начали видеть, что происходит внутри клетки. Именно это обещает нам лазерная фазовая пластина».
При финансовой поддержке Biohub Мюллер приобрёл современный криоэлектронный микроскоп и оснастил его новой лазерной фазовой пластиной, назвав получившийся прибор Theia в честь древнегреческой титаниды, связанной со светом и сиянием. Параллельно Каррагхер руководит созданием родственного микроскопа в центре визуализации Biohub в Редвуд-Сити: в нём используются два лазера вместо одного, что опирается на теоретические работы Мюллера и его коллег. Лучи расположены под прямым углом друг к другу и работают примерно на половинной мощности — это защищает компоненты от перегрева и снижает оптические искажения, мешающие качеству изображения. Обе группы сотрудничают с Thermo Fisher Scientific, ведущим производителем криоэлектронных микроскопов.