Новый метод позволяет четко и точно заглянуть внутрь человеческих клеток

Исследователи из Института передовой науки и технологий Бекмана разработали инновационный способ «увидеть» тонкую структуру и химический состав человеческой клетки с беспрецедентной четкостью и точностью. Их техника, опубликованная в PNAS, использует нестандартный подход к детектированию сигналов.

«Биология — одна из самых захватывающих наук нашего времени, потому что всегда существовал разрыв между тем, что мы можем видеть, и тем, что не можем», — говорит руководитель исследования, профессор биоинженерии Рохит Бхаргава.

Ранее получение высокоразрешенной химической «карты» клетки было практически невозможным. Новый метод позволяет рассматривать клетки с гораздо более высоким разрешением и значительной химической детализацией.

Как это работает:

Метод основан на химической визуализации с использованием инфракрасного (ИК) света. Когда клетка поглощает ИК-излучение, она нагревается и расширяется. Каждый тип молекул в клетке поглощает ИК-свет на слегка разной длине волны, испуская уникальную химическую сигнатуру.

Однако традиционный подход, направленный на постоянное увеличение мощности ИК-сигнала для лучшего «разогрева» клетки, имел фундаментальный недостаток: сильное расширение клетки создавало «шум» (статику), который мешал точным химическим измерениям.

«Это как увеличить громкость на радиостанции с помехами — музыка становится громче, но и шум тоже», — поясняет ведущий автор исследования Сет Кенкел.

Контр-интуитивное решение:

Вместо усиления сигнала исследователи нашли способ «отделить» ИК-сигнал от движения детектора. Это позволило усиливать полезный сигнал без увеличения сопутствующего шума. Они начали эксперименты с самого слабого управляемого сигнала, чтобы отработать решение, а затем уже повышали мощность.

«Мы свернули на обочину, посмотрели на карту и направили машину в правильном направлении. Теперь увеличение скорости — усиление сигнала — может эффективно двигать область вперед», — приводит аналогию Бхаргава.

Результат:

Техника позволяет проводить химическую и структурную визуализацию клеток в наномасштабе (в 100 000 раз меньше толщины волоса) без использования флуоресцентных меток (красителей). Это открывает новые возможности для изучения комбинированных химических и физических аспектов, управляющих развитием человека и болезнями.

Исследование стало примером междисциплинарной науки, объединившей спектроскопию, механическую инженерию, обработку сигналов и биологию.