Ученые MIT сделали визуализацию высокого разрешения более доступной

Новую технологию получения изображений наномасштабных структур внутри клеток без использования дорогостоящих микроскопов сверхвысокого разрешения разработали специалисты Массачусетского технологического института (MIT) в США, 11 октября сообщает пресс-служба института.

Метод, который создали исследователи MIT, основан на увеличении объема ткани перед получением ее изображения и позволяет достигать наномасштабного разрешения с помощью обычного светового микроскопа. В последней версии этой технологии ученые добились увеличения объема ткани в 20 раз за один прием.

Этот простой и недорогой метод позволит практически любой биологической лаборатории получить наномасштабную визуализацию биологических тканей. Благодаря разрешению в 20 нанометров, достигаемому с помощью этой технологии, ученые могут видеть органеллы внутри клеток, а также кластеры белков без использования дорогого специализированного оборудования.

Одна из старших авторов нового исследования Лора Кисслинг, профессор химии Novartis-MIT, член Института Броуда и Гарварда, а также Института Коха MIT по интегративным исследованиям рака, отметила, что он «демократизирует визуализацию».

Вторым старшим автором нового исследования, представленного в статье октябрьского номера журнала Nature Methods, является Эдвард Бойден, профессор факультета нейротехнологий им. И. Евы Тан в MIT; профессор биологической инженерии, медиаискусства и естественных наук, а также наук о мозге и когнитивных наук; исследователь Медицинского института Говарда Хьюза; член Института Макговерна по исследованию мозга и Института Коха по интегративным исследованиям рака MIT.

В лаборатории Бойдена в 2015 году был изобретен метод расширительной микроскопии. По этому методу ткань помещают в абсорбирующий полимер и расщепляют белки, которые обычно удерживают ткань вместе. При добавлении воды гель набухает и отделяет биомолекулы друг от друга.

Первоначальная версия этой техники, которая расширяла ткань примерно в четыре раза, позволила исследователям получать изображения с разрешением около 70 нанометров. В 2017 году лаборатория Бойдена модифицировала процесс, включив второй этап расширения и достигнув общего 20-кратного расширения. Однако процесс стал более сложным.

В новом исследовании ученые намеревались выполнить 20-кратное расширение всего за один шаг. Для этого им было нужно найти гель, который был бы одновременно чрезвычайно абсорбирующим и механически стабильным, чтобы он не разрушался при расширении в 20 раз.

Они выбрали гель, состоящий из N, N-диметилакриламида (ДМАА) и акрилата натрия и обладающий высокими механическими свойствами. Ранее, используя такие компоненты геля, они добились его расширения лишь примерно в десять раз. В новом исследовании команда MIT оптимизировала гель и процесс полимеризации, чтобы сделать гель более прочным и обеспечить 20-кратное расширение.

Для этого они перед гелеобразованием удалили кислород из полимерного раствора, чтобы предотвратить побочные реакции, мешающие сшиванию полимера. Для чего исследователи пропускали через полимерный раствор азот, который заменял большую часть кислорода в системе.

После того как гель сформирован, отдельные связи в белках, которые удерживают ткань вместе, разрываются, а чтобы заставить гель расшириться, добавляется вода. После расширения целевые белки в ткани можно пометить и визуализировать.

«Этот подход может потребовать большей подготовки образцов по сравнению с другими методами сверхвысокого разрешения, но он намного проще, когда дело доходит до фактического процесса визуализации, особенно для 3D-визуализации, — указал один из ведущих авторов статьи докторант MIT Тай Вон Шин. — Мы привели в статье пошаговый протокол, чтобы читатели могли легко его изучить».

Используя эту технику, исследователи смогли визуализировать множество крошечных структур внутри клеток мозга, включая структуры, называемые синаптическими наноколоннами — кластерами белков, которые определенным образом организованы в нейронных синапсах и позволяют нейронам общаться друг с другом посредством секреции нейротрансмиттеров, таких как дофамин.

В исследованиях раковых клеток ученые также визуализировали микротрубочки, которые помогают клеткам формировать свою структуру и играют важную роль в делении клеток. Они также смогли увидеть митохондрии (органеллы, генерирующие энергию) и даже организацию отдельных ядерных поровых комплексов (кластеров белков, контролирующих доступ к ядру клетки).

В настоящее время другой ведущий автор статьи аспирант Массачусетского технологического института Шивэй Ван использует эту технику для визуализации углеводов, известных как гликаны, которые находятся на поверхности клеток и помогают контролировать их взаимодействие с окружающей средой.

Этот метод также может быть использован для визуализации опухолевых клеток, что позволит ученым увидеть, как организованы белки внутри таких клеток, без использования дорогой техники.

Исследователи предполагают, что любая биологическая лаборатория сможет использовать эту технологию при низких затратах, поскольку она основана на стандартных, готовых химикатах и обычном оборудовании, таком как конфокальные микроскопы и перчаточные боксы, которые большинство лабораторий уже имеют или могут легко приобрести.

«Мы надеемся, что благодаря этой новой технологии любая обычная биологическая лаборатория сможет использовать этот протокол со своими существующими микроскопами, что позволит им достичь разрешения, которое может быть достигнуто только с помощью очень специализированных и дорогостоящих современных микроскопов», — подчеркнул Ван.