Видеть то, что не видно невооруженным глазом — 4 важных чтения о том, как ученые делают микроскопический мир видимым

Младший редактор отдела здравоохранения и биомедицины

Профессор и директор программы нейронаук Университета Северного Кентукки

Профессор вычислительной и системной биологии, заместитель старшего проректора по научной стратегии и планированию, Питтсбургский университет

Руководитель научной программы Института Гладстона Калифорнийского университета, Сан-Франциско

Доцент кафедры нейронных и поведенческих наук, Пенсильванский университет

Посмотреть всех партнеров

Микроскоп является знаковым символом наук о жизни – и не зря. От открытия существования клеток до структуры ДНК микроскопия была важнейшим инструментом в этой области, открывая новые измерения живого мира не только для ученых, но и для широкой публики.

Для наук о жизни, где понимание функции живого существа часто требует интерпретации его формы, визуализация жизненно важна для подтверждения теорий и раскрытия того, что еще неизвестно.

В этой подборке историй из архива The Conversation представлено несколько способов, с помощью которых микроскопия способствовала различным формам научного знания, включая методы, которые вообще выводят визуализацию за пределы зрения.

За последние несколько столетий микроскоп претерпел постепенную, но значительную эволюцию. Каждое достижение позволило исследователям видеть все более мелкие и хрупкие структуры и биомолекулы со все более высоким разрешением – от клеток до структур внутри клеток, структур внутри структур внутри клеток и вплоть до атомов.

Но между самыми маленькими и самыми большими структурами клетки все еще существует разрыв в разрешении. Биофизик Джереми Берг провел аналогию с Google Maps: хотя ученые могли видеть город в целом и отдельные дома, они не могли разглядеть районы.

«Наблюдение этих деталей на уровне окрестности важно для понимания того, как отдельные компоненты работают вместе в среде клетки», — пишет он.

Ученые работают над устранением этого разрыва в разрешении. Например, усовершенствования в микроскопии со сверхвысоким разрешением, получившей Нобелевскую премию 2014 года, улучшили изучение длительных процессов, таких как деление клеток, за счет одновременного захвата изображений в различных размерах и временных масштабах, обеспечивая четкость деталей, которые традиционные микроскопы имеют тенденцию размываться.

Другой метод, криоэлектронная микроскопия, или криоЭМ, получил Нобелевскую премию в 2017 году за то, что позволил увидеть еще более сложные, динамические молекулы путем их мгновенного замораживания. Это создает защитную стеклянную оболочку вокруг образцов, когда их бомбардирует луч электронов, создавая фотооперацию. Крио-ЭТ, специализированный тип крио-ЭМ, может создавать трехмерные изображения молекулярных структур в их естественной среде.

Эти методы не только генерируют изображения с атомным разрешением или близким к нему, но также сохраняют естественную форму представляющих интерес биомолекул, которые трудно уловить. Например, исследователям удалось использовать крио-ЭМ, чтобы запечатлеть неуловимую структуру белка на поверхности меняющего форму вируса гепатита С, предоставив ключевую информацию для будущей вакцины.

Дальнейшее улучшение остроты зрения науки позволит раскрыть больше мелких деталей строительных блоков жизни.

«Я ожидаю увидеть новые теории о том, как мы понимаем клетки, переходя от неорганизованных пакетов молекул к сложно организованным и динамическим системам», — пишет Берг.

Подробнее: Визуализация внутренней части клеток с ранее невозможным разрешением дает яркое представление о том, как они работают.

Изображения, полученные с помощью микроскопа, часто оформляются как снимки – очерченные части целого, увеличенные для выявления их скрытых особенностей. Но ничто в организме не работает изолированно. Выявив отдельные компоненты, перед учеными стоит задача составить схему их взаимодействия друг с другом в макросистеме организма. Чтобы выяснить это, необходимо не только идентифицировать каждый компонент, из которого состоит конкретная клетка, ткань и орган, но и расположить их относительно друг друга – другими словами, составить карту.