Расшифровка планктонного мира с помощью микроскопии расширения
Планктон — невидимый двигатель жизни на Земле, производящий большую часть кислорода и формирующий основу пищевой цепи океана. Он невероятно разнообразен: описаны десятки тысяч видов, и многие ещё ждут открытия. Среди них протисты — одноклеточные организмы, выделяющиеся своим разнообразием и эволюционной значимостью. Однако десятилетиями учёные могли изучать их только через геномные данные из-за отсутствия надёжных методов визуализации.
Во время пандемии COVID-19 групповой лидер EMBL Гаутам Дей получил звонок в Zoom от своего коллаборатора Омая Дудина (тогда руководившего группой в EPFL). Дудин адаптировал новый метод для визуализации внутренней архитектуры ихтиоспор (Ichthyosporea) — морских протист, близких родственников животных и грибов, — преодолев давний барьер в виде их непроницаемых клеточных стенок.
Новый метод, называемый микроскопией расширения, был первоначально разработан учёными MIT (США), а затем оптимизирован в ультраструктурную микроскопию расширения (U-ExM) для изучения субклеточной ультраструктуры Полем Гишаром и Вирджинией Амель из Женевского университета. Метод сделал клеточную стенку проницаемой, и внутренние структуры протист стало возможно чётко визуализировать и изучать.
Решив изучить больше морских организмов этим методом, Дудин, Дей, Гишар и Амель начали сотрудничество. Спустя три года оно привело к созданию почти энциклопедических знаний о сотнях видов протист и движению к созданию планетарного атласа планктона.
Экспедиция EMBL «По европейскому побережью» (TREC) стала отличной возможностью для исследователей глубже изучить внутренние структуры различных морских микробов.
Опубликованное в Cell, их исследование дало беспрецедентные и глубокие данные о клеточной архитектуре более 200 видов планктона, в частности эукариот — организмов, чьё клеточное ядро окружено мембраной.
Это был первый шаг проекта PlanExM, дополнения к TREC, цель которого — раскрыть мир ультраструктурного разнообразия планктона с помощью микроскопии расширения.
Раскрытие клеточных секретов с помощью ультраструктурной микроскопии расширения
В Роскоффе (Франция), одной из первых ключевых точек отбора проб экспедиции TREC, на Морской биологической станции находится одна из самых полных в Европе коллекций культур морских микроорганизмов.
Команда спросила управляющего станцией Яна Про́бера, сколько образцов они могут получить для пилотного проекта по микроскопии расширения — ожидая около 20 видов. Вместо этого им открыли доступ ко всему фонду с более чем 200 видами.
«Мы провели три дня и три ночи, просто фиксируя эти образцы. Это было сокровище, от которого мы не могли отказаться», — сказал соавтор-первооткрыватель Феликс Микус, защитивший докторскую в группе Дея и ныне постдок в нынешней лаборатории Дудина в Женевском университете.
Микроскопия расширения, относительно молодой метод (в этом году ему исполняется 10 лет), работает за счёт физического «расширения» биологических образцов. Образец (который может содержать одноклеточные организмы, клетки или ткани) сначала помещают в прозрачный гель. Затем гелю дают расшириться, поглощая воду.
Удивительно, что многие внутренние структуры клетки остаются неповреждёнными в процессе и расширяются более или менее пропорционально. Это позволяет учёным «увеличить» образец в 4 или даже 16 раз без использования линз.
«В сочетании с обычными методами световой микроскопии микроскопия расширения позволяет учёным обойти стандартные барьеры длины волны, которые ограничивают, насколько малую структуру можно разрешить с помощью световой микроскопии», — сказали Гишар и Амель.
Используя образцы из Роскоффа, а также вторую коллекцию культур из Бильбао (Испания), исследователи провели одно из самых масштабных на сегодня исследований разнообразия цитоскелета — нитевидной сети, формирующей каркас эукариотических клеток.
В частности, учёные изучали микротрубочки (полые трубчатые нити, помогающие клетке сохранять структуру, делиться и двигаться) и центрины — семейство белков, находящихся в структурах, организующих микротрубочки внутри клеток.
«Мы смогли картировать особенности организации микротрубочек и центрина во многих различных эукариотических группах», — сказала Хирал Шах, постдокторант EIPOD в группах Дея и Шваба в EMBL и соавтор-первооткрыватель исследования.
«Масштаб исследования, с множеством охарактеризованных видов в каждой группе, открывает возможность делать эволюционные предсказания. Например, динофлагелляты, одна из самых разнообразных групп, встречающихся в океанах по всей планете, хорошо представлены в нашем исследовании. Мы смогли картировать наличие структур тубулина и центрина, связанных с клеточной кортексой или жгутиками у этих видов».
«U-ExM меняет то, как мы исследуем ультраструктуру протист», — сказал Армандо Рубио Рамос, соавтор-первооткрыватель исследования и постдокторант в исследовательской группе Амель и Гишара в Женевском университете.
«Комбинируя этот метод с высокопроизводительной визуализацией и сравнительным анализом, мы можем начать расшифровывать, как клеточная архитектура диверсифицировалась в ходе эволюции. Это мост между молекулярными данными и физической организацией жизни на микроскопическом уровне».
По словам исследователей, этот анализ не только помогает понять фундаментальные принципы организации эукариотической клетки, но и даёт ключи к эволюционной истории архитектуры цитоскелета у этих видов. Более того, он демонстрирует потенциал микроскопии расширения как мощного инструмента для изучения сложных образцов, включая собранные непосредственно из морских экосистем.
«Наши приключения с микроскопией расширения только начинаются», — сказал Дей. «Это, пожалуй, первый метод микроскопии высокого разрешения, который имеет потенциал соответствовать масштабу и амбициям крупных проектов по геномике биоразнообразия, позволяя нам в ближайшем будущем связывать новые мультиомные данные с клеточной физиологией в масштабе по всему древу жизни».
«Следующий шаг — выборочно глубже изучить определённые виды в этой обширной коллекции, чтобы ответить на конкретные вопросы, например, понять, как эволюционировали митоз и многоклеточность, и какое фенотипическое разнообразие лежит в основе основных эволюционных переходов», — сказал Дудин.