Mikroskop des 21. Jahrhunderts: Lebende Zellmoleküle in Echtzeit • Elena Naimark • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Technologien, Molekularbiologie, Biotechnologien

Mikroskop des 21. Jahrhunderts: Lebende Zellmoleküle

Abb. 1. Auf der linken Seite: 3D-Modell des Mikroskops. Alle seine Komponenten (außer Laser) sind auf einer 46 × 61 cm großen Demo-Platine montiert, die neben dem optischen Stativ mit einem Tisch mit Okularen vertikal gedreht ist. Rechts: Bild des Mikroskops selbst. Bilder von zusätzlichen Materialien zum diskutierten Artikel

Das Team von Eric Betzig hat ein neues Mikroskop entwickelt, mit dem lebende mikroskopische Objekte in Echtzeit erfasst werden können. Über seine Fähigkeiten wird auf den Seiten des Magazins berichtet. Wissenschaft. In einer trockenen Zusammenfassung wird aufgezählt, dass ein neues Mikroskop (Abb. 1) erlaubt: Bewegungen eines Biomoleküls zu registrieren, die Prozesse innerhalb der Zelle zu beobachten, das Verhalten einzelner Zellen in der umgebenden Matrix zu verfolgen und die Interaktion von Zellen in mehrzelligen Systemen. In Wirklichkeit, wenn man durch das Okular eines neuen Mikroskops schaut, eröffnet sich eine neue aufregende Welt.

Magazin Wissenschaft Diese Woche lud er seine Leser ins Kino ein: Im Artikel Lattice Light-Sheet Microscopy: Mehr als 20 Videoclips werden gezeigt. Und das sind keine einfachen Videoclips – sie sind Mikro- oder sogar Nanowelten, die in Echtzeit aufgenommen wurden.Die Arbeit war das Ergebnis der Arbeit einer großen Gruppe von Autoren, unter denen sich der jüngste Chemie-Nobelpreisträger Eric Betzig befindet.

Frames aus Video mit T-Zellen (braune Farbe) Beitritt zur Zielzelle (blaue Farbe). Im Video kann diese Interaktion im Detail betrachtet werden. Fotos aus dem Artikel in der Diskussion Wissenschaft

Es ist wirklich sehenswert: Dies ist eine Welt von bewegten Molekülen in einer lebenden Zelle. Hier ist die HeLa-Kulturzelle, und auf ihrer Oberfläche sind dünne Filopodienfäden gezeichnet, zittern und schwanken (siehe Filopodia). Natürlich gibt es hervorragende Bilder in Superqualität dieser Zellen mit Filopodien, aber jetzt können Sie diese Bilder "lebendig" sehen. Dies ist etwa ein Rennzug auf einem großen Bildschirm im Vergleich zu seinem Foto.

Jemand könnte von der Rolle mit einem sich entwickelnden frühen Drosophila-Embryo während des spinalen Verschlusses mehr beeindruckt werden. Es scheint, dass dies auch eine weithin bekannte Geschichte ist (A. Jacinto et al., 2002. Dynamische Analyse der dorsalen Schließung in Drosophila) – aber nein: vor unseren Augen sind Zellen mit gefärbten Cadherinen, die die entstehenden zellulären Kontakte markieren, und im nächsten Video dasselbe,aber die Bewegung von Zellen mit gefärbten Aktinfilamenten wird demonstriert: Hier kriechen sie aufeinander zu, Zellen verändern ihre Form, verdicken sich an einer Stelle, zittern, nehmen die richtige Position ein … Und das ist keine Rekonstruktion, das passiert mit den Zellproteinen – Aktin cadgerin – tatsächlich während der Embryogenese. Sie können andere Proteine ​​und Regulatoren mit einer leuchtenden Markierung markieren – und sehen wieder in Echtzeit ein Bild von ihrer Expression und Operation in der Zelle, sei es ein bestimmtes Stadium der Embryogenese oder irgendein anderer biologischer Prozess. Es ist wichtig, dass die untersuchten Objekte weiterhin auf dem Objekttisch leben.

Wohin gehen Mikrotubuli-Proteinmoleküle während aufeinanderfolgender Zellteilungsphasen? – Bitte schauen Sie sich ein anderes Video an. Hier bewegen sich Chromosomen, Mikrotubuli wachsen, Mitochondrien interagieren mit dem endoplasmatischen Retikulum. Letzteres ist besonders interessant: Man kann sehen, wie das endoplasmatische Retikulum in eine spezielle "Zisterne" umgewandelt wird (siehe L. Lu, MS Ladinsky, T. Kirchhausen, 2009. Die spezifischen Bewegungen der Mitochondrien können verfolgt werden). diese und andere. Keine Grafiken und keine Fotos vermitteln die dynamische Dynamik der Zellteilung (Abb. 2).

Abb. 2 Frames aus einem Video mit Zellteilung: auf der linken Seite – Zwischenphase, auf der rechten Seite – Anaphase. Chromosomen (Histone) sind gefärbt braun markiert in anderen Farben die wachsenden Enden der Mikrotubuli sind markiert, die Farbe spiegelt die Geschwindigkeit ihres Wachstums wider. An Charting Die Verteilung der entsprechenden Geschwindigkeiten wird angezeigt. Bild aus dem Artikel in der Diskussion Wissenschaft

Abb. 3 Neutrophile Vorläuferzelle in der Kollagenmatrix. Bild aus dem Artikel in der Diskussion Wissenschaft

Einige der vorgestellten Videos sind nicht nur lehrreich, sondern auch ziemlich lustig: Die merkwürdigen Bewegungen der Infusorien sind deutlich sichtbar. Tetrahymena thermophila oder Sie können sehen, wie sich die Pränutrophil-Zelle (HL-60) ihren Weg bahnt, buchstäblich durch die Kollagenfasern waten (Abb. 3). Im ersten Fall ist es möglich, die Anzahl der Flagellenschläge genau zu schätzen, was für den Vergleich der biochemischen und phänomenologischen Manifestationen wichtig ist. Das zweite Beispiel ist noch relevanter: Es ist ein Modell eines Neutrophils, das durch ein dreidimensionales Gewebe, das mit Kollagen angereichert ist, in ein infiziertes Gebiet geleitet wird.

Es ist unmöglich, diese Videos mit Worten zu beschreiben. Wir können nur eine kurze Liste neuer Beobachtungen geben, Entdeckungen, die mit neuer Ausrüstung gemacht werden können.Aber es wird eher einer Werbung für ein neues Mikroskop ähneln, das bereits in einer eher kulturellen und schönen Form existiert (wenn auch auf Englisch). Dieser Text enthält die Worte von E. Beetzig, die die schnelle Kommerzialisierung neuer Technologien rechtfertigt:

Um den funktionierenden Hightech-Prototyp an die modernen Möglichkeiten des Images anzupassen, waren enorme Anstrengungen erforderlich. Letztendlich ist die Kommerzialisierung ein notwendiger letzter Schritt, um die wissenschaftliche Gemeinschaft davon zu überzeugen, dass ein neues Produkt breite Forschungsperspektiven eröffnet.

(Es braucht einen High-Tech-Prototypen, um eine breitere Übernahme einer Imaging-Technologie zu sein. Letztendlich kann dies erhebliche Auswirkungen auf die Forschungsgemeinschaft haben.)

In der Tat ist es klar, dass das neue Mikroskop wirklich äußerst vielversprechend ist, aber lassen Sie es von Carl Zeiss werben, das jetzt die Rechte an dieser Technik besitzt. Es macht nur Sinn, darauf hinzuweisen, wie sich dieses Mikroskop von allen anderen unterscheidet.

Abb. 4 Aufteilen der Lichtebene in einzelne Strahlen und Scannen eines Objekts. Strahlen (blaugrün) in der gleichen Ebene liegen, durch das Objekt gehen (grau), Anregungsbereich (braune Flecken) erzeugt eine Fluoreszenzreaktion, die an das Okular gesendet wird. Abbildung aus dem besprochenen Artikel in Wissenschaft

Beim Mikroskopieren lebender Objekte gibt es zwei Hauptprobleme. Um Bilder mit hoher Auflösung zu erhalten, müssen Sie zuerst das Objekt beleuchten. Je höher jedoch die Beleuchtungsintensität ist, desto schneller stirbt das Objekt. Zweitens, um Bilder eines Objekts zu erhalten, das seine Position im Raum ändert, sind Berechnungen erforderlich, die Zeit brauchen; Dies bedeutet, je schneller sich das Objekt bewegt, desto weniger wahrscheinlich ist es, sein Bild in guter Auflösung zu erhalten. Diese Probleme sind miteinander verbunden, da eine gute Auflösung mehr Beleuchtung erfordert und daher eine kürzere Lebensdauer des Objekts unter dem Mikroskop impliziert. Beide Probleme wurden umgangen, indem die von den Bessel-Strahlen erzeugte Lichtebene zur Beleuchtung verwendet wurde (Abb. 4).

Die Lichtflächenbeleuchtung wird in fluoreszierenden Mikroskopen verwendet, aber hier wurden die Bessel-Strahlen erst 2011 vom selben Team von Eric Betzig für die Mikroskopie vorgeschlagen (siehe TA Planchon et al., 2011). Schnelle dreidimensionale isotrope Bildgebung Flugzeugbeleuchtung). Seitdem wurde diese Ausrüstung durch ein spezielles Verfahren zum Aufteilen einer Lichtebene durch ein optisches Gitter in separate parallele Strahlen verbessert.Jeder Strahl hat eine geringere Intensität und erzeugt dementsprechend eine geringere schädigende Wirkung auf die Zelle. Erfand auch ein System, mit dem Sie schnell ein Bild des Objekts erstellen können. Beziehungen zwischen Wellenlängen, die durch die Geschwindigkeit der Schwingung der Strahlen induziert werden, und Glättung der resultierenden Bilder sind beteiligt. (Für genauere Informationen zu dieser Technologie ist es besser, auf zusätzliche Materialien zu dem Artikel zu verweisen.)

Hoffentlich werden einige der Element-Leser in dieses wundervolle Mikroskop sehen können. Dies ist einfacher als zum Mars zu fliegen, und die Eindrücke können vergleichbar sein.

Quelle: Bi-Chang Chenet al. Gitterlichtmikroskopie: Abbildung von Molekülen zu Embryonen mit hoher raumzeitlicher Auflösung // Wissenschaft. 2014. V. 346. P. 439. DOI: 10.1126 / science.1257998.

Elena Naimark


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