Увидеть структуру генома в живой клетке


Мажар Адли
Мажар Адли (слева) с коллегами.

В Школе медицины университета Виргинии (University of Virginia School of Medicine), на кафедре биохимии и молекулярной генетики команда учёных занимается крайне важной работой. Результат выглядит как движущиеся на экране компьютера светящиеся точки. Но это то, что способно дать человечеству ключи к пониманию устройства генома, лечению раковых и генетических заболеваний. Мажар Адли (Mazhar Adli) и его коллеги работают над тем, чтобы увидеть работу генов в живой клетке — в реальном времени, в трёх измерениях.

Наши знания о том, как работает ДНК в клетке, ограничены. Мы можем «прочитать» генетические последовательности. Но вопрос о пространственном распределении хроматина (вещества хромосом — комплекс ДНК, РНК и белков) в ядре изучен слабо.

«Это долго оставалось только мечтой, — отмечает Адли. — Теперь мы можем получить изображение практически любого интересующего нас региона генома, в реальном времени, в живых клетках. Метод красив. Традиционный способ изучения генома, «золотой стандарт» сегодня, никогда не даст вам такого рода данных, для получения изображения вам придётся убить клетку. Мы делаем это в живых клетках в режиме реального времени». (далее…)

|

Впервые описаны микроорганизмы


Один из дошедших до наших дней микроскопов, созданных Антони ван Левенгуком.
Один из дошедших до наших дней микроскопов, созданных Антони ван Левенгуком.

Считается, что сын голландского корзинщика (по другой версии — пивовара) Филипса Тонисзона (Philips Thoniszoon) — Антони ван Левенгук (нидерл. Antoni van Leeuwenhoek) впервые заинтересовался микроскопом, увидев его в галантерейной лавке. В XVII веке микроскопы больше походили на увеличительные стёкла в оправе, но даже такие примитивные оптические приборы позволяли рассматривать объекты, недоступные человеческому глазу.

Левенгук увлёкся идеей микроскопии настолько, что освоил ремесло изготовителя линз и стал собирать микроскопы самостоятельно. До наших дней дошли 9 изготовленных им приборов, самый мощный из которых позволяет рассматривать препараты под увеличением ×275. Крошечный размер линзы (диаметром с горошину) требовал от исследователя особых навыков обращения с инструментом. Однако когда небольшие затруднения были преодолены, перед учёным-самоучкой открылся совершенно новый мир. Его населяли существа, которых Левенгук назвал «animalcule», что в приблизительном переводе с латыни означает «маленькие зверьки» или «зверюшки». Как выяснил учёный, «зверюшки» живут практически везде — в воде из канавы, в почве и даже в зубном налёте. (далее…)

Только половина объёма хромосомы — ДНК


Хромосома
Хромосома, как мы её себе представляем. Но всё несколько сложнее.

С помощью современных методов визуализации впервые удалось создать подробные 3D-модели всех 46 хромосом человека. Оказалось, что только половина материала хромосомы — ДНК. Это значительно меньше, чем предполагалось ранее. Но исследование показало, что до 47 процентов структуры хромосом — загадочная оболочка, которая окружает генетический материал.

О том, как функционирует оболочка хромосомы, ещё предстоит разобраться. Исследователи предполагают, что она может служить для предотвращения слияния хромосом во время процесса деления клетки.

Исследователи считают, что эта так называемая периферия хромосомы (англ. chromosome periphery) может служить для защиты от ошибок деления, которые могут быть причиной возникновения некоторых форм рака, а также врождённых заболеваний.

С момента их открытия в 1882 году, хромосомы были предметом интенсивного изучения. Несмотря на очевидный технический прогресс в области микроскопии, полная картина структуры и организации хромосом остаётся загадкой. (далее…)

Новый микроскоп может разглядеть ориентацию молекул


Ориентация актиновых нитей в клетках кожи человека — снимок сделан новым микроскопом.
Ориентация актиновых нитей в клетках кожи человека — снимок сделан новым микроскопом.

Учёные из Лаборатории биологии моря (Marine Biological Laboratory), Дартмутского колледжа (Dartmouth College) и Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл (University of North Carolina at Chapel Hill) создали новый микроскоп, который позволяет определить положение в пространстве и ориентацию отдельных молекул в живых клетках. Результаты работы опубликованы в журнале Proceedings of National Academy of Sciences.

«Все клеточные функции направлены, — объясняет ведущий автор исследования Шалин Мехта (Shalin Mehta) — К примеру, клетки движутся в определённом направлении или разделяются на определённом участке и располагаются так, чтобы дочерние клетки были нужного размера. Это направление задаётся наномасштабным выравниванием молекул в клетках, и новый микроскоп может его зарегистрировать».
(далее…)

И всё-таки ДНК светится


Спираль дезоксирибонуклеиновой кислоты.
Спираль дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Учёные Северо-Западного университета (Northwestern University), Эванстон, штат Иллинойс, обнаружили, что молекулы ДНК могут переизлучать свет. Научная работа об этом открытии опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Несколько десятилетий учёные считали, что макромолекулы в живых клетках, такие как ДНК, РНК и белки, не светятся сами по себе. Для повышения контрастности при микроскопии исследователям приходилось использовать специальные флуоресцентные красители.

Научная группа Северо-Западного университета выяснила, что на самом деле макромолекулы в клетках светятся естественным образом. Это открытие может способствовать появлению флуоресцентной наноскопии сверхвысокого разрешения, не требующей флуоресцентных меток, и углубить наше понимание биологических процессов. «В учебниках написано, что биологические молекулы не поглощают свет и не флуоресцируют. Так всех учат — это часть программы, поэтому никто не подвергает этого сомнению», — говорит Хао Чжан (Hao Zhang), один из авторов исследования. (далее…)

Безлинзовый микроскоп успешно протестирован в диагностике патологий


Голографический микроскоп
Цифровой голографический микроскоп. Под образцом находится светочувствительная матрица.

Прототип микроскопа, который не использует линзы, создан американскими учёными. Прибор формирует голограмму, которая фиксируется светочувствительной матрицей, после чего компьютер обрабатывает полученную информацию и создаёт финальное изображение. Подобный микроскоп обещает оказаться намного доступнее и при этом удобнее традиционного.

Попытки создания таких микроскопов предпринимались и ранее, но качество создаваемого ими изображения оказывалось недостаточным для применения в диагностических целях. Создатели нового прототипа из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе продемонстрировали возможность практического применения их детища. Для этого они пригласили специалиста-патолога, который с помощью голографического микроскопа смог, изучая образцы ткани, правильно поставить диагноз в 74 случаях из 75. Для сравнения, при помощи традиционного микроскопа тот же специалист дал верный диагноз во всех 75 случаях. (далее…)

Эрик Бетциг продемонстрировал новый флуоресцентный микроскоп


Процесс деления клетки
Процесс деления клетки HeLa. Зелёным цветом выделены гистоны, жёлтым — митохондрии, фиолетовым — эндоплазматический ретикулум.

Спустя всего две недели после объявления о присуждении Нобелевской премии по химии, 24 октября в журнале «Сайенс» (Science) появилась статья лауреата этого года Эрика Бетцига (Eric Betzig) о дальнейшем усовершенствовании флуоресцентного микроскопа, за работу над которым и была вручена почётная награда. Статья описывает технологию наблюдения за протеканием процессов в клетках, в отличие от мгновенных снимков, доступных ранее. Более того, новый микроскоп создаёт объёмное изображение, позволяющее изучить процесс со всех сторон.

Суть технологии флуоресцентной микроскопии, предложенной Бетцигом и удостоенной Нобелевской премии, заключается в активизации молекулы лазером, регистрации возникшего флуоресцентного излучении и последующей обработки сигнала для повышения точности определения координат молекулы. Ограничениями этого метода являются требование к относительной малоподвижности молекул, необходимость сконцентрироваться на малом участке, а также риск повредить образец чрезмерной дозой светового излучения. (далее…)

Разрешение магнитно-резонансной томографии удалось увеличить в миллион раз


Установка для нанометровой магнитно-резонансной томографии
Установка для нанометровой магнитно-резонансной томографии.

Метод магнитно-резонансной томографии, широко применяемый при исследовании органов тела, обеспечивает пространственное разрешение 0,1 мм. Исследователям из Швейцарии и Германии удалось увеличить этот показатель более чем в миллион раз, продемонстрировав наблюдение отдельных молекул. С помощью разработанной технологии учёные рассчитывают изучать структуру молекул белка.

Принцип действия магнитно-резонансной томографии основывается на измерении отклика ядер атомов водорода на возбуждение, осуществляемое электромагнитными волнами в постоянном магнитном поле высокой напряжённости. Технология применяется уже несколько десятилетий и достигла зрелости, разрешение приборов составляет порядка 0,1 мм и не улучшалось в последние годы. Тем удивительнее прорыв, который осуществила научная группа из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Лейпцигского университета во главе с профессором Кристианом Дегеном (Christian Degen). (далее…)

Впервые удалось наблюдать диффузию атомов внутри кристаллической решётки


Последовательность кадров
Отдельные кадры из последовательности изображений кристалла нитрида алюминия с внедрённым атомом церия. Масштаб изображения, отмеченный на кадре (a), составляет 0,3 нм.

Группа физиков из США, Японии и Австралии сообщила об успешном наблюдении за диффузией отдельных атомов внутри объёмного тела. Обычно параметры диффузии удаётся получить путём косвенных макроскопических экспериментов либо с помощью тщательных теоретических расчётов. Наблюдать перемещение атомов напрямую удавалось только на поверхности материала.

В эксперименте исследовалось перемещение атомов примесей в кристаллической решётке нитрида алюминия. В качестве примесей использовались отдельные атомы церия и марганца. Наблюдения проводились с помощью сканирующего электронного микроскопа с исправленными аберрациями. (далее…)

Нобелевская премия по химии вручена изобретателям сверхчувствительного микроскопа


Фибробласты
Фибробласты (соединительная ткань) — фотография, полученная с помощью флуоресцентной микроскопии.
Нобелевский комитет объявил лауреатов премии по химии 2014 года. Ими стали трое учёных, разработавших и доведших до практического применения технологию флуоресцентной микроскопии, что позволило оптическому наблюдению выйти за пределы дифракционных ограничений.

В этом году члены комитета будто бы вспомнили, что в своём завещании шведский промышленник Альфред Нобель поручил выдавать премии не только за открытия в области физики и химии, но и за изобретения и усовершенствования. «Нобелевка» по физике присуждена за изобретение синих светодиодов, премию по химии вручили «за развитие флуоресцентной микроскопии со сверхвысоким разрешением».

Оптические микроскопы многие века были единственным инструментом человечества для наблюдения за микромиром, но ещё в конце XIX века Эрнстом Аббе был открыт дифракционный предел — максимально возможное разрешение, равное половине длины волны света. Для видимого диапазона это в лучшем случае 200 нм. В дальнейшем были изобретены рентгеновские микроскопы, у которых длина волны, а значит, и разрешение, на несколько порядков меньше, а также ещё более чувствительные электронные микроскопы. Однако их применение довольно ограничено: для рентгеновских микроскопов слишком много сред одинаково прозрачны, а электронные требуют непосредственного контакта с материалом. (далее…)