Тысячи изображений замороженных бактерий
Как бактерии ощущают и адаптируются к окружающей среде? Этот вопрос увлекает Ариану Бригель, профессора ультраструктурной биологии. Используя новые методы, она создает трехмерные изображения бактерий, которые дают новые подсказки об их сенсорной системе.
Главный научный интерес
Наибольший интерес вызывает то, как бактерии обнаруживают сигналы из окружающей среды: как находят сахара, избегают токсинов и адаптируются к меняющимся условиям. Известно, что бактерии используют определенные сигналы, например, наличие конкретных химических веществ, чтобы определить, куда двигаться. Но как они обнаруживают эти сигналы? Как выглядит их «нос»?
Изображения, полученные с помощью электронной криотомографии, показывают, что многие типы бактерий имеют крупные хеморецепторы, которые помогают им, например, обнаруживать сахара в окружающей среде.
Что такое электронная криотомография?
Это относительно новая техника, которая впервые позволяет рассматривать бактерии в их естественном состоянии, с молекулярным разрешением и в трех измерениях.
- Принцип: Электронная микроскопия (EM) использует электроны для формирования изображения. Поскольку длина волны электронов намного короче, чем у света, этот метод может достигать гораздо более высокого разрешения, чем световая микроскопия.
- Проблема: Для работы с электронами нужен вакуум, чтобы электроны не рассеивались атмосферой. Биологический материал полон воды, которая в вакууме испарится и разрушит образец.
- Решение: Вместо удаления воды клетки мгновенно замораживают. Заморозка происходит так быстро, что вода не успевает образовать кристаллы льда. Это сохраняет клетки неповрежденными и позволяет получать изображения практически без артефактов.
- 3D-реконструкция: Образец вращают в микроскопе, получая множество снимков под разными углами. Из этих изображений вычислительными методами генерируют трехмерную модель клетки.
Применения исследований
Получаемые знания о бактериях могут лечь в основу разработки новых методов лечения болезней.
- Борьба с инфекциями: Понимание того, как потенциально вредные бактерии используют свою способность ощущать и реагировать на среду для вторжения в хозяина, может помочь предотвращать инфекции.
- Пример: Начатый исследовательский проект по V. cholerae (микроб, вызывающий холеру) может дать полезную информацию для разработки новых методов лечения холеры.
- Другие возможности: Например, использование бактерий для утилизации токсичных отходов.
Исследования носят фундаментальный характер: цель — точно понять, как работает сенсорная система бактерий.
Роль центра NeCEN
Центр электронной наноскопии Нидерландов (NeCEN) — основная причина, по которой Ариана Бригель приехала в Лейден. Это отличная площадка для электронной криотомографии, оснащенная двумя лучшими на рынке микроскопами и имеющая квалифицированный вспомогательный персонал. Клетки выращивают и готовят образцы в своей лаборатории, но все визуализация происходит в NeCEN.
Работа с большими данными
Каждый набор данных состоит из 121 изображения высокого разрешения, каждое из которых можно разбить на 10 субкадров. Данные накапливаются очень быстро: в предыдущей лаборатории за время работы там собрали около 30 000 таких наборов данных.
В Лейдене только начинают сбор данных и создают систему управления ими. Обработка всего этого массива данных станет большой задачей, для решения которой планируется сотрудничество с факультетом компьютерных наук.
Анализ данных
Сейчас каждый набор данных обрабатывают вручную, но планируют использовать программное обеспечение для автоматизации большей части работы: обработки данных, реконструкции и генерации видео.
Будущее области
Главное ограничение электронной криотомографии на сегодня — необходимость использования очень тонких образцов, чтобы электронный пучок мог пройти сквозь них. Поэтому много работ выполнено на бактериях, которые от природы тонкие и маленькие.
Однако развитие новых методов позволит замораживать более крупные образцы, такие как человеческие клетки и ткани, а затем нарезать их на очень тонкие срезы для визуализации с помощью EM. Это откроет совершенно новое поле с множеством исследовательских возможностей.
Летом в Институте биологии Лейдена (IBL) установят такую машину, которая позволит визуализировать образцы толще отдельных бактерий. Это даст возможность изучать взаимодействия «хозяин-микроб».