Новый 3D-микроскоп визуализирует быстрые биологические процессы лучше, чем когда-либо

Исследователи из Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) в Гейдельберге разработали новый тип микроскопа. Революционная система светлопольной микроскопии позволяет изучать быстрые биологические процессы, создавая до 200 3D-изображений в секунду. Первые тесты уже дали новые данные о движении клеток крови в сердце.

"Многие важные биологические процессы происходят в трех измерениях и в миллисекундных временных масштабах", — говорит Ларс Хуфнагель, объясняя причину разработки нового микроскопа. Запечатлеть эти быстрые процессы — большая задача в биологии. А показывать их не только в 2D, но и в 3D — наряду с необходимой высокой разрешающей способностью — второй ключевой аспект современной микроскопии.

Результаты исследования опубликованы в Nature Methods.

Новая система светлопольной микроскопии, разработанная руководителями групп EMBL Ларсом Хуфнагелем, Робертом Преведелем и их командами, преодолевает оба препятствия одновременно. "Наш новый метод позволяет изучать процессы как в 3D, так и в масштабе времени 200 изображений в секунду", — говорит Роберт Преведель. Ларс Хуфнагель добавляет: "Кроме того, он обеспечивает до десяти раз лучшее, а именно по-настоящему изотропное разрешение, чем классическая светлопольная микроскопия".

Ранее разработанные микроскопы, в основном основанные на методах светового листа, также пытались визуализировать быстрые биологические процессы, но достигали гораздо более низких скоростей, чем новая техника. Таким образом, они были слишком медленными, чтобы видеть динамические процессы внутри сердца и нейронных клеток.

Чтобы продемонстрировать возможности новой техники, команда в реальном времени изучила бьющееся сердце и кровоток у оризии (японской рисовой рыбки, medaka). Оризия использовалась как хорошо изученный модельный организм. Кроме того, клетки крови движутся быстро — до одного миллиметра в секунду — что было вызовом для любого существующего микроскопа.

Изображения, полученные в этом тесте, впервые показали, как отдельные клетки крови движутся через две камеры сердца. "Это открывает совершенно новые возможности", — говорит соавтор Йоахим Виттбродт из Центра исследований организмов Гейдельбергского университета. "Показывая, как генетический фон или мутации влияют на динамику сердцебиения, новая технология может быть использована для исследования пороков сердца".

Создание нового микроскопа стало междисциплинарным усилием. Исследователи из двух групп EMBL имеют опыт в различных научных областях: в мультидисциплинарную команду входили физики, инженеры, компьютерщики и, конечно, биологи.

"Этот новый микроскоп демонстрирует, что EMBL не только находится на переднем крае исследований в области молекулярной биологии, но и является важным местом для исследований и разработки новых технологий, необходимых в этой области", — говорит Хуфнагель.

Исследование сердца оризии было лишь первым испытанием для нового микроскопа. Роберт Преведель надеется использовать микроскоп для изучения активности и динамики популяций нейронных клеток у этих животных. "Будущие разработки камер могут еще больше увеличить скорость съемки. Это сделает нашу новую микроскопическую технику привлекательным инструментом для изучения динамики внутри небольших нейронных сетей в миллисекундных временных масштабах в 3D", — заключает Преведель.