Метод сверхбыстрой визуализации характеризует тысячи молекул с помощью однофотонной камеры
Исследователи EPFL разработали новый метод визуализации с использованием однофотонной камеры, который может быстро и одновременно характеризовать тысячи молекул. Исследование опубликовано в журнале Light: Science & Applications.
Новый метод, вдохновленный 35-летней техникой визуализации, проводит сверхточные измерения уникальной сигнатуры светового излучения молекулы в масштабе миллиардной доли секунды. Он использует камеру на однофотонных лавинных диодах (SPAD), состоящую почти из миллиона крошечных сенсоров, каждый из которых может обнаружить фотон.
Данные анализируются для определения времени флуоресценции молекулы — крайне короткой задержки между импульсом возбуждающего лазера и флуоресценцией, испускаемой молекулой. Затем отдельные молекулы в образце характеризуются с впечатляющей точностью.
Метод был разработан в EPFL Лабораторией наноразмерной биологии (LBEN) совместно с Лабораторией передовых квантовых архитектур (AQUA) с использованием камеры, созданной спин-оффом EPFL PI Imaging Technology. Это первый шаг к процедурам визуализации, позволяющим ученым изучать поведение конкретных молекул в больших образцах.
Более быстрый метод позволяет проводить быстрый анализ больших белковых образцов
В отличие от обычных методов, разработанный LBEN метод обнаруживает молекулы в конкретный момент времени сразу после возбуждающего импульса с разрешением в пикосекунды. Он включает захват чередующихся серий изображений: одно сразу после возбуждения, а другое — несколько наносекунд спустя. Изображения анализируются для определения времени флуоресценции молекулы.
С помощью SPAD-камеры ученые могут получить точную информацию о тысячах молекул менее чем за минуту — в отличие от часа, требуемого существующими методами. «Наш метод немного менее точен, чем обычные, но он быстрее и может обнаружить беспрецедентное количество молекул одновременно», — говорит профессор Александра Раденович из LBEN. Эта большая скорость может обеспечить быстрый анализ больших белковых образцов.
Для разработки продвинутого метода эксперты по детектированию одиночных молекул тесно сотрудничали с инженерами, специализирующимися на разработке камер. «Например, частота захвата изображений исходной камерой не соответствовала темпу лазерных импульсов, — говорит ученый LBEN Натан Ронсере. — Но наши коллеги из AQUA и инженеры Pi Imaging быстро адаптировали устройство».
Многообещающие результаты команды также могут принести пользу Pi Imaging, поскольку ключом к успеху технологии на нишевом рынке часто являются совместные НИОКР с университетскими лабораториями. «Мы также работали с Лабораторией биомолекулярного моделирования EPFL под руководством Маттео Даль Пераро и исследовательской группой под руководством Гильермо Акуньи в Университете Фрибура. Они изучают мембранные белки и ДНК-оригами соответственно», — говорит Ронсере.
Быстрое определение относительного положения молекулы
После того как новый метод исследователей доказал свою эффективность, они начали изучать другое применение — определение расстояния между молекулами. Они создали технику на основе резонансного переноса энергии Фёрстера (FRET). Это механизм, при котором время флуоресценции молекулы-«донора» изменяется, если поблизости находится молекула-«акцептор».
«Измерение времени флуоресценции пары молекул дает информацию о расстоянии между ними в масштабе всего нескольких нанометров, — говорит Ронсере. — Текущий подход можно применять только к малым образцам, но наша система может расширить его, чтобы позволить быстрое изучение динамических явлений на тысячах молекул».
Результаты команды открывают захватывающие новые возможности в различных областях науки и технологий. «Как и в случае с любой техникой, трудно предсказать ее полный потенциал: он, вероятно, будет ограничен только воображением, — отмечает Раденович. — Одно многообещающее направление — это потенциал для улучшения мультиплексных анализов, то есть одновременного измерения нескольких параметров в одном образце. Вероятно, это будет полезно в таких областях, как пространственная транскриптомика, которая направлена на измерение экспрессии генов в ткани с сохранением пространственной информации: точного местоположения клеток или структур в ткани».
Позволяя одновременно считывать множество молекулярных видов в течение жизни, метод может служить мощным дополнением к появляющимся инструментам омикс высокого разрешения, используемым для всестороннего и систематического изучения различных биологических слоев организма, часто на клеточном или молекулярном уровне.