Подгузники, гель и одна большая клетка. Биологи превратили детский гигиенический материал в революционный инструмент для микроскопии

Обычный световой микроскоп увеличивает изображение за счет системы стеклянных линз. Такой прибор позволяет рассмотреть бактерии, клетки и их крупные элементы, но на высоких увеличениях исследователи часто упираются в предел детализации. Мелкие структуры расплываются, а плотные клеточные стенки мешают красителям и антителам проникать внутрь. Без них трудно различить белки и внутренние компоненты.

Часть лабораторий вместо покупки все более мощных и дорогих микроскопов использует другой способ повысить детализацию. Они не пытаются сильнее увеличить изображение, а делают больше сам препарат. Такой подход называют расширяющей микроскопией.

Метод опирается на водонабухающий полимер на основе акрилата натрия. В химии такие вещества известны как суперабсорбенты. Они способны впитывать воду в объеме, который во много раз превышает их собственный вес, и при этом сохраняют форму геля. Именно этот тип материалов применяют во впитывающих слоях подгузников.

Процедура выглядит так. Подготовленный биологический образец пропитывают раствором, из которого затем формируется гелевая сетка. Параллельно нужные молекулы, чаще всего белки, химически связывают с будущей полимерной матрицей с помощью специальных меток. Когда структура геля сформирована, в систему добавляют воду. Материал равномерно разбухает во всех направлениях и механически раздвигает закрепленные внутри клеточные компоненты. Их взаимное расположение сохраняется, но расстояния между деталями становятся больше. За счет этого тонкие элементы, которые раньше сливались, можно рассмотреть на обычном флуоресцентном микроскопе без сложной и дорогой оптики.

Подход предложила группа Эда Бойдена в Массачусетском технологическом институте в 2015 году. Биологический материал пропитывают гидрогелем на основе акрилата натрия. Такой полимер способен впитывать воду в объеме, который в сотни раз превышает собственный вес, при этом не теряя форму. В образце нужные биомолекулы, например белки, химически «пришивают» к гелевой сетке. Когда добавляют воду, матрица набухает, расстояния между точками закрепления увеличиваются, а исходная геометрия в целом сохраняется. За счет этого под микроскопом становятся различимы детали, которые раньше сливались.

Клеточный биолог Омайя Дюден из Женевского университета столкнулся с практической проблемой при работе с организмами с жесткими оболочками. Антитела плохо проходили внутрь, поэтому он годами использовал сложный протокол с циклами замораживания и оттаивания. После такой обработки большая часть материала разрушалась. Во время пандемии он начал сотрудничать с соседней лабораторией, где уже применяли расширяющую микроскопию. После первых проб клетки равномерно увеличились, окрашивание прошло успешно, внутренние элементы стали хорошо различимы. Метод сразу вошел в постоянную практику группы.

Похожие результаты получил Гаутам Дей из Европейской лаборатории молекулярной биологии в Гейдельберге, который изучает митоз. По его наблюдениям, красители и антитела после гелевой обработки проникают заметно лучше, а изображения получаются чище. 2 команды объединили усилия и занялись организмами, которые раньше почти не исследовали на таком уровне. 1 из задач связана с картированием разнообразия цитоскелета, то есть внутреннего белкового каркаса клетки. Речь идет о сложных волоконных структурах, которые до сих пор не удавалось разглядеть столь подробно.

Главное практическое преимущество техники в том, что она доступна почти любой лаборатории. Достаточно базового флуоресцентного микроскопа и нужного гидрогеля. Сложные и дорогие сверхразрешающие системы не требуются. По оценке исследователей, такой подход заметно снижает порог входа для клеточной биологии.

Первым объектом в работах группы Дюдена стал одноклеточный эукариот Sphaeroforma arctica, протист с несколькими ядрами в 1 клетке. Расширенные препараты показали разные стадии жизненного цикла. В верхних образцах ядра делились, в нижних уже завершали деление и переходили к росту.

Хищная инфузория Lacrymaria, еще 1 модельный организм лаборатории, имеет ловчую структуру из микротрубочек. Она формирует вихревую систему волокон, которую способна быстро вытягивать для захвата добычи. Даже в свернутом состоянии после увеличения удается рассмотреть устройство этого аппарата.

Метод также помог изучить одноклеточную фотосинтезирующую водоросль Rhinomonas с 2 жгутиками, распространенную в морской среде. В расширенных образцах исследователи заметили упорядоченные ряды белка центрина. Ранее для этой эволюционной линии такое распределение не описывали. Центрин относится к кальцийсвязывающим белкам и участвует в формировании структурных волокон.

Диатомовые водоросли обычно трудно рассматривать из-за прочной кремниевой оболочки, которая называется фрустула. В лаборатории Дея применили модифицированный протокол. Сначала образец увеличивали в геле, затем белки метили флуоресцентными антителами, после чего быстро замораживали, чтобы зафиксировать расположение компонентов.

У инфузорий рода Vorticella расширяющая микроскопия позволила рассмотреть плотную сеть центриновых нитей под клеточной мембраной. На снимках видна ячеистая кортикальная структура. В других препаратах той же группы обнаружили сложную организацию ротового аппарата, элементы жгутиков на основе тубулина и формирующееся веретено деления в момент подготовки к разделению клетки. Метки тубулина прослеживаются по всей характерной ножке организма.

Еще 1 пример связан с динофлагеллятой из моря Росса у берегов Антарктиды. Этот микроорганизм захватывает пластиды у микроводоросли Phaeocystis antarctica. После расширения удалось разглядеть, что внутри хозяина сохраняются не только пластиды, но и ядро водоросли, а также белковые комплексы, необходимые для фотосинтеза, включая рубиско. Подобные сцены помогают разобраться в ранних этапах эволюции эукариотических клеток, хотя многие детали такого симбиоза пока остаются неясными.