Законы физики жестко ограничивают оптическую мощность световых микроскопов: объекты, расположенные ближе 200 нанометров друг к другу, сливаются в единое целое. Существующие методы микроскопии «сверхвысокого разрешения» обходят этот предел, но требуют сложнейших оптических ухищрений и крайне дорогого оборудования.
Ученые научились, не повреждая, растягивать белки в миллиард раз
Международная группа исследователей разработала уникальный метод трехмерного увеличения биологических образцов, позволяющий масштабировать молекулы в миллиард раз (в 1000 раз по каждому измерению). Новая технология расширительной микроскопии позволяет детально изучать структуру белков и картировать отдельные аминокислоты с помощью обычных, относительно недорогих световых микроскопов.
Изображения высокого разрешения можно получить, увеличив размер нервной клетки перед съемкой с помощью флуоресцентной микроскопии. SPL
Технология расширительной микроскопии открывает путь к изучению белков, которые слишком малы или нестабильны для традиционной криоэлектронной микроскопии. Увеличенные белки обладают высокой стабильностью и способны сохранять свои гигантские размеры в течение нескольких дней без высыхания и деформации. Это позволяет совмещать процедуру с автоматизированными системами сканирования. Единственной серьезной сложностью остается то, что такой белок оказывается слишком большим. На таком масштабе даже средний белок занимает все поле зрения микроскопа, поэтому для полной реконструкции структуры одной молекулы ученым приходится собирать и анализировать тысячи отдельных снимков-вспышек.
В 2015 году ученые предложили альтернативу — физически увеличивать сам исследуемый образец с помощью разбухающего гидрогеля, напоминающего полимер из памперсов. До сих пор ткань удавалось безболезненно растянуть лишь в 20 раз, однако авторы нового исследования создали рецепт геля для многократного расширения. Работа размещена на сервере bioRxiv.
В ходе экспериментов очищенные белки прочно связывали с гидрогелем, а затем аккуратно расщепляли ферментами или нагреванием. Это позволило раздвинуть компоненты молекул в пространстве, полностью сохранив их исходную трехмерную форму. С помощью флуоресцентного микроскопа ученые сумели успешно отобразить взаимное расположение аминокислот в пептиде (коротком белке) mCLING, а также детально реконструировать структуру зеленого флуоресцентного белка (GFP), служащего важным инструментом в биотехнологиях.
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
Демократизация структурной биологии
Молекула mCLING, изображенная тремя различными способами. Сверху вниз представлены: изображение с 1000-кратным увеличением из последнего препринта 2026 года, на котором видны цветные пятна; компьютерная визуализация молекулярной структуры; и изображение из исследования 2024 года. Молекула mCLING, изображенная тремя различными способами. Сверху вниз: изображение с 1000-кратным увеличением, полученное с помощью новейшей техники микроскопии расширения; компьютерное изображение молекулярной структуры; и изображение белка с 10-кратным увеличением, полученное с помощью флуоресцентной микроскопии. Масштабная линейка относится ко всем трем изображениям.
Ранее визуализация молекул с подобным уровнем детализации требовала применения криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ) или рентгеновской кристаллографии — методов, доступных далеко не каждой лаборатории в мире.
Соавтор работы Сильвио Риццоли, нейробиолог из Университетского медицинского центра Геттингена в Германии, подчеркивает значимость открытия: «Это демократизация структурной биологии». По словам исследователей, новая методика способна «раздуть» одну клетку до размеров мозга мыши.
Хотя сейчас точность метода (около 1.2 нанометра) уступает возможностям крио-ЭМ, авторы уже добились разрешения менее 10 ангстрем для очищенных белков и теперь учатся определять их форму прямо внутри живых клеток. У новой технологии огромный экономический потенциал, ведь она позволяет изучать биомолекулы на приборах стоимостью в несколько тысяч долларов, что критически важно для многих стран, где дорогостоящие комплексы крио-ЭМ полностью отсутствуют.
Загружаем