Химики разглядели движение клетки в темноте

Химикам удалось получить изображение живой клетки без использования лазерного излучения и флуоресцентных меток. Они разработали и продемонстрировали метод, в основе которого лежит излучение одиночных фотонов в результате химической реакции. Работа опубликована в журнале Nature.

Многие химические и биохимические реакции, которые происходят в живых организмах оказываются настолько сложными, что смоделировать их невозможно, а существующие методы экспериментального исследования вносят искажения и часто оказываются трудоемкими. Можно получать статистические данные о большом ансамбле частиц, но отследить как взаимодействуют одиночные частицы или молекулы довольно трудно. Или, например, получать изображения биологических структур до и после реакции — чаще всего для этого используют мощное лазерное излучение. И, несмотря на то, что успехи оптических методов позволили получать изображения с разрешением, превышающим дифракционный предел, мощное излучение создает высокий фоновый шум или может повредить исследуемый образец.
Существует обратный к облучению молекул подход — смотреть за ними в полной темноте, как ночью наблюдают за звездами. Хорошо различить в темноте можно частицу света, поэтому такой метод подходит для реакций, в результате которых излучаются фотоны. Группа ученых под руководством Цзяньдун Фэня (Jiandong Feng) из Чжэцзянского университета показала, что реакция электрохемилюминесценции подходит для исследования в полной темноте. Авторы получили изображение поверхности, на которой происходило множество реакций с излучением фотонов и сравнили его с изображением, полученным оптическим методом.

Для проведения всех экспериментов авторы использовали схему, состоящую из прозрачной подложки с электродами, которая находилась в растворе красителя. Излучение собиралось со стороны прозрачной подложки и регистрировалось при помощи матрицы однофотонных детекторов.

Обычно для того, чтобы проследить за реакцией на молекулярном уровне, химики берут очень маленький объем раствора двух реагентов и измеряют переизлучение от него, что не всегда возможно и удобно. Авторский подход позволяет избежать таких сложностей, а регистрация одиночных событий становится возможной благодаря маленьким концентрациями красителя в растворе и радикала на поверхности электрода. Пропускание тока через электрод меняет заряд радикала и дает ему возможность взаимодействовать с красителем.

Процесс электрохемилюминесценции случайный, поэтому подтверждение того, что именно он послужил излучением фотонов в эксперименте может служить статистическое распределение. Авторы меняли концентрацию реагентов и следили за тем с какой вероятностью происходит реакция. Полученное распределение подчинялась статистике Пуассона, что говорит о случайности реакций.
Кроме того, возможность следить за одиночными событиями позволяет получать динамическую во времени картину реакций — кинематику процесса и установить какой именно процесс происходит — адсорбция или диффузия. Сравнение полученных экспериментальных данных позволило химикам подтвердить, что наблюдаемая реакция возникает из-за диффузии красителя, в то время как стандартные оптические методы включают в себя адсорбцию молекул на поверхность.

Благодаря тому, что фотоактивная реакция происходит между поверхностью электрода и растворенным красителем, любое заслонение электрода можно увидеть на снимках с фотодетектора. Если на поверхность поместить живую клетку или любые другие биологические объекты, то можно не только получить их изображение, но и отслеживать происходящие с ними процессы в динамике. Разрешение полученных снимков оказалось не хуже возможностей оптической микроскопии с использованием лазерного облучения.

Несмотря на то, что электрохемилюминесценция может оказывать влияние на клетку, оно не сравнится с фотообесцвечиванием и фоновым шумом, которые возникают при использовании существующих методов. Поэтому химики рассматривают опробованный ими метод как альтернативу подходам с использованием флуоресценции для анализа и визуализации клеток.

Ранее физики уже сообщали о методе получения изображений «издалека», который тоже не задействует явление флуоресценции, но использует мощное лазерное излучение. А еще раньше ученые доработали метод флуоресцентной микроскопии и смогли увидеть движение клеток внутри эмбриона.

Оксана Борзенкова