Учёные приблизились к возможности рассматривать организацию ДНК почти на масштабе самой двойной спирали. Новые флуоресцентные зонды позволили определить положение отдельных молекул красителя с точностью около 3 нанометров, тогда как диаметр двойной спирали ДНК составляет примерно 2 нанометра. Разработку представила международная группа исследователей во главе с Центром геномной регуляции в Барселоне.
Метод основан на флуоресцентных молекулах HoT, которые самостоятельно проникают внутрь клеток, связываются с ДНК и периодически включают и выключают свечение. Такое «мигание» помогает микроскопу определять положение отдельных зондов по очереди. Компьютер затем объединяет тысячи кадров в изображение, где структура хроматина видна намного подробнее, чем под обычным оптическим микроскопом.
В живых клетках исследователи использовали сверхразрешающую микроскопию STORM и смогли наблюдать ДНК с разрешением около 20 нанометров. Для сравнения, обычный световой микроскоп начинает терять отдельные детали уже при расстояниях примерно в 200 нанометров. Главное преимущество HoT-зондов заключается не только в детализации. Красители позволяют следить за движением и перестройкой хроматина прямо в живой клетке без агрессивной обработки образцов.
Ещё ближе к молекулярному масштабу учёные подошли на зафиксированных клетках. Микроскопия MINFLUX позволила локализовать отдельные молекулы красителя с точностью около 3 нанометров. Исследователи подчёркивают, что показатель относится именно к точности определения положения зонда. Говорить о полноценном трёхнанометровом изображении всей ДНК пока нельзя. Тем не менее результат приблизил оптическую микроскопию к физическому размеру двойной спирали.
Новая техника показала ещё одну необычную возможность. Исследователи передали изображения нейросети AINU, созданной для анализа структуры клеточного ядра. Алгоритм научился отличать клетки кожи от стволовых клеток с точностью от 96 до 98 процентов, хотя оба типа клеток содержат практически один и тот же геном. Разницу выдаёт упаковка ДНК. Клетки по-разному складывают хроматин и тем самым регулируют, какие участки генома остаются доступными для работы.
Команда также испытала HoT-зонды на сохранённых образцах кишечной ткани трёх пациентов с раком. В опухолевых клетках ДНК выглядела менее плотно упакованной и сильнее распределялась по ядру, чем в соседней здоровой ткани. Авторы предполагают, что архитектура хроматина в будущем сможет дополнять обычную диагностику и помогать оценивать состояние опухоли. Пока речь идёт о потенциальном применении, а не о готовом диагностическом тесте.
Зонды сработали и на тканях глаза рыбок данио, способных восстанавливать повреждённую сетчатку. Учёные пытаются понять, как перестройка хроматина связана с возвращением клеток в более пластичное состояние во время регенерации. Возможность наблюдать подобные изменения в живых клетках открывает путь к изучению процессов, которые раньше приходилось восстанавливать по уже зафиксированным образцам.
У технологии пока остаются ограничения. HoT-зонды окрашивают ДНК практически целиком и не умеют выбирать конкретный ген или небольшой участок генома. Максимальную точность в 3 нанометра исследователи получили только на зафиксированных клетках. Следующая задача команды состоит в том, чтобы приблизить живую микроскопию к тому же масштабу и научиться точнее связывать изменения трёхмерной упаковки ДНК с работой отдельных генов, развитием болезней и состоянием клетки.