Новая микроскопия позволила увидеть движение белков в живой клетке

Группа физиков и биологов из США и Китая, в соавторстве с Нобелевским лауреатом Эриком Бетцигом, разработала новый вид оптической микроскопии, превышающей предел дифракции. Новая техника позволяет без вреда для клетки получать видеоролики движения белков в ней, успевая получать несколько кадров за одну секунду. Изображение, полученное новым методом, было использовано при оформлении обложки Science, статья, посвященная микроскопии, опубликована в сегодняшнем выпуске журнала.

Авторы модифицировали метод микроскопии, использующий структурированное освещение — SIM. В оригинальном методе для освещения образца используется интерференционная картина, создаваемая с помощью лазерного луча и дифракционной решетки. Внутри образца при этом находятся различные флуорофоры, которые способны светиться под действием излучения. В результате наложения и обработки снимков, сделанных при различных углах поворота решетки и смещениях, исследователи получают изображение с разрешением до 100 нанометров — вдвое лучше дифракционного предела. Ключевым здесь является анализ муара в «полосатых» фотографиях.

В новой работе исследователи улучшили метод благодаря двум независимым нововведениям. Во-первых, благодаря использованию объектива с ультрабольшой числовой апертурой — это позволило добиться разрешения в 84 нанометра и скорости съемки два кадра в секунду. Во-вторых —  используя нелинейную зависимость интенсивности свечения люминофора от интенсивности падающего на него излучения. С помощью фотопереключаемого зеленого белка FP Skylan-NS авторы добились разрешения деталей размером 45 нанометров. Для сравнения, диаметр микротрубочек, являющихся частью цитоскелета клетки, составляет 25 нанометров.

Используя новый метод, авторы работы смогли пронаблюдать поведение различных белков вблизи плазматической мембраны, а также динамику a-актинина, актина и аппарата Гольджи в объеме.

Ключевым преимуществом разработанного метода является невысокая интенсивность лазерного излучения, необходимая для освещения образца. По словам Эрика Бетцига, во многих методах клетки получают слишком большие количества света. «Это повреждает клетки, убивает их, а в худшем случае и вовсе испаряет» — говорит Бетциг. Новый подход, по сравнению с RESOLFT требует почти в миллион раз меньшей интенсивности излучения.

Микроскопией сверхвысокого разрешения называется несколько методов, способных различить объекты размером менее половины длины волны видимого спектра. Такое разделение возникает из понятия дифракционного предела — минимального размера светового пятна, которое можно получить фокусированием электромагнитного излучения.