Ñëó÷àéíàÿ íîâîñòü èç Àðõèâà Ôëóîðåñöåíòàÿ ìèêðîñêîïèÿ âûñîêîãî ðàçðåøåíèÿ
17.10.2014
×òîáû ðàññìîòðåòü êëåòêó è åå ñîäåðæèìîå, ìû äîëæíû âçÿòü ìèêðîñêîï. Åãî ïðèíöèï ðàáîòû îòíîñèòåëüíî ïðîñò: ëó÷è ñâåòà ïðîõîäÿò ÷åðåç îáúåêò, à ïîòîì ïîïàäàþò â óâåëè÷èòåëüíûå ëèíçû, òàê ÷òî ìû ìîæåì ðàçãëÿäåòü è êëåòêó, è íåêîòîðûå îðãàíåëëû âíóòðè íåå, íàïðèìåð, ÿäðî èëè ìèòîõîíäðèè.
Íî åñëè ìû çàõîòèì óâèäåòü ìîëåêóëó áåëêà èëè ÄÍÊ, èëè ðàññìîòðåòü êðóïíûé íàäìîëåêóëÿðíûé êîìïëåêñ âðîäå ðèáîñîìû, èëè âèðóñíóþ ÷àñòèöó, òî îáû÷íûé ñâåòîâîé ìèêðîñêîï îêàæåòñÿ áåñïîëåçåí. Åùå â 1873 ãîäó íåìåöêèé ôèçèê Ýðíñò Àááå âûâåë ôîðìóëó, ïîëàãàþùóþ ïðåäåë âîçìîæíîñòÿì ëþáîãî ñâåòîâîãî ìèêðîñêîïà: îêàçûâàåòñÿ, â íåãî íåëüçÿ óâèäåòü îáúåêò, ðàçìåðîì ìåíüøå ïîëîâèíû äëèíû âîëíû âèäèìîãî ñâåòà - òî åñòü ìåíüøå 0,2 ìèêðîìåòðîâ.
Ðåøåíèå, î÷åâèäíî, ñîñòîèò â òîì, ÷òîáû âûáðàòü íå÷òî, ÷òî ñìîãëî áû çàìåíèòü âèäèìûé ñâåò. Ìîæíî èñïîëüçîâàòü ïó÷îê ýëåêòðîíîâ, è òîãäà ìû ïîëó÷èì ýëåêòðîííûé ìèêðîñêîï - â íåãî ìîæíî íàáëþäàòü âèðóñû è áåëêîâûå ìîëåêóëû, íî íàáëþäàåìûå îáúåêòû ïðè ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèè ïîïàäàþò â ñîâåðøåííî íååñòåñòâåííûå óñëîâèÿ. Ïîýòîìó èñêëþ÷èòåëüíî óäà÷íîé îêàçàëàñü èäåÿ Øòåôàíà Õåëëÿ (Stefan W. Hell) èç Èíñòèòóòà áèîôèçè÷åñêîé õèìèè Îáùåñòâà Ìàêñà Ïëàíêà (Ãåðìàíèÿ), êîòîðîìó â íà÷àëå 90-õ ãîëîâ ïðèøëà â ãîëîâó ìûñëü èñïîëüçîâàòü äëÿ âèçóàëèçàöèè ìàêðîìîëåêóë è èõ êîìïëåêñîâ ñòèìóëèðîâàííîå ôëóîðåñöåíòíîå èçëó÷åíèå.
Ñóòü èäåè ñîñòîÿëà â òîì, ÷òî îáúåêò ìîæíî îáëó÷èòü ëàçåðíûì ëó÷îì, êîòîðûé ïåðåâåäåò áèîëîãè÷åñêèå ìîëåêóëû â âîçáóæäåííîå ñîñòîÿíèå. Èç ýòîãî ñîñòîÿíèÿ îíè íà÷íóò ïåðåõîäèòü â îáû÷íîå, îñâîáîæäàÿñü îò èçëèøêîâ ýíåðãèè â âèäå ñâåòîâîãî èçëó÷åíèÿ - òî åñòü íà÷íåòñÿ ôëóîðåñöåíöèÿ, è ìîëåêóëû ñòàíóò âèäèìûìè. Íî èçëó÷àåìûå âîëíû áóäóò ñàìîé ðàçíîé äëèíû, è ó íàñ ïåðåä ãëàçàìè áóäåò íåîïðåäåëåííîå ïÿòíî. ×òîáû òàêîãî íå ñëó÷èëîñü, âìåñòå ñ âîçáóæäàþùèì ëàçåðîì îáúåêò îáðàáàòûâàåòñÿ ãàñÿùèì ëó÷îì, êîòîðûé ïîäàâëÿåò âñå âîëíû, êðîìå òåõ, êîòîðûå îáëàäàþò íàíîìåòðîâîé äëèíîé. Èçëó÷åíèå ñ äëèíîé âîëíû ïîðÿäêà íàíîìåòðîâ êàê ðàç ïîçâîëÿåò îòëè÷èòü îäíó ìîëåêóëó îò äðóãîé.
Ìåòîä ïîëó÷èë íàçâàíèå STED (stimulated emission depletion), è êàê ðàç çà íåãî Øòåôàí Õåëëü ïîëó÷èë ñâîþ ÷àñòü Íîáåëåâñêîé ïðåìèè. Ïðè STED-ìèêðîñêîïèè îáúåêò íå îõâàòûâàåòñÿ ëàçåðíûì âîçáóæäåíèåì ñðàçó öåëèêîì, à êàê áû ïðîðèñîâûâàåòñÿ äâóìÿ òîíêèìè ïó÷êàìè ëó÷åé (âîçáóäèòåëåì è ãàñèòåëåì), ïîòîìó ÷òî ÷åì ìåíüøå îáëàñòü, êîòîðàÿ ôëóîðåñöèðóåò â äàííûé ìîìåíò âðåìåíè, òåì âûøå ðàçðåøåíèå èçîáðàæåíèÿ.
Ìåòîä STED âïîñëåäñòâèè äîïîëíèëñÿ òàê íàçûâàåìîé îäíîìîëåêóëÿðíîé ìèêðîñêîïèåé, ðàçðàáîòàííîé â êîíöå XX âåêà íåçàâèñèìî äâóìÿ äðóãèìè íûíåøíèìè ëàóðåàòàìè, Ýðèêîì Áåòöèãîì (Eric Betzig) èç Èíñòèòóòà Ãîâàðäà Õüþçà è Óèëüÿìîì Ìåðíåðîì (William E. Moerner) èç Ñòýíôîðäà.  áîëüøèíñòâå ôèçèêî-õèìè÷åñêèõ ìåòîäîâ, ïîëàãàþùèõñÿ íà ôëóîðåñöåíöèþ, ìû íàáëþäàåì ñóììàðíîå èçëó÷åíèå ñðàçó ìíîæåñòâà ìîëåêóë. Óèëüÿì Ìåðíåð êàê ðàç ïðåäëîæèë ñïîñîá, ñ ïîìîùüþ êîòîðîãî ìîæíî íàáëþäàòü çà èçëó÷åíèåì îäíîé ìîëåêóëû. Ýêñïåðèìåíòèðóÿ ñ çåëåíûì ôëóîðåñöåíòíûì áåëêîì (GFP), îí çàìåòèë, ÷òî ó åãî ìîëåêóë ñâå÷åíèå ìîæíî ïðîèçâîëüíî âêëþ÷àòü è âûêëþ÷àòü, ìàíèïóëèðóÿ äëèíîé âîçáóæäàþùåé âîëíû. Âêëþ÷àÿ è âûêëþ÷àÿ ôëóîðåñöåíöèþ ðàçíûõ ìîëåêóë GFP, èõ ìîæíî áûëî íàáëþäàòü â ñâåòîâîé ìèêðîñêîï, íå îáðàùàÿ âíèìàíèÿ íà íàíîìåòðîâîå îãðàíè÷åíèå Àááå. Öåëîå èçîáðàæåíèå ìîæíî áûëî ïîëó÷èòü, ïðîñòî ñîâìåñòèâ íåñêîëüêî ñíèìêîâ ñ ðàçíûìè ñâåòÿùèìèñÿ ìîëåêóëàìè â ïîëå íàáëþäåíèÿ. Ýòè äàííûå áûëè äîïîëíåíû èäåÿìè Ýðèêà Áåòöèãà, êîòîðûé ïðåäëîæèë óâåëè÷èòü ðàçðåøåíèå ôëóîðåñöåíòíîé ìèêðîñêîïèè, èñïîëüçîâàâ áåëêè ñ ðàçíûìè îïòè÷åñêèì ñâîéñòâàìè (òî åñòü, ãðóáî ãîâîðÿ, ðàçíîöâåòíûå).
Ñîâìåùåíèå ìåòîäà âîçáóæäåíèÿ-ãàøåíèÿ Õåëëÿ ñ ìåòîäîì ñóììû íàëîæåíèé Áåòöèãà è Ìåðíåðà ïîçâîëèëî ðàçðàáîòàòü ìèêðîñêîïèþ ñ íàíîìåòðîâûì ðàçðåøåíèåì. Ñ åå ïîìîùüþ ìû ìîæåì íàáëþäàòü íå òîëüêî îðãàíåëëû è èõ ôðàãìåíòû, íî è âçàèìîäåéñòâèÿ ìîëåêóë äðóã ñ äðóãîì (åñëè ìîëåêóëû ïîìåòèòü ôëóîðåñöåíòíûìè áåëêàìè), ÷òî, ïîâòîðèì, äàëåêî íå âñåãäà âîçìîæíî ñ ýëåêòðîííî-ìèêðîñêîïè÷åñêèìè ìåòîäàìè. Çíà÷åíèå ìåòîäà òðóäíî ïåðåîöåíèòü, âåäü ìåæìîëåêóëÿðíûå êîíòàêòû - ýòî òî, íà ÷åì ñòîèò ìîëåêóëÿðíàÿ áèîëîãèÿ è áåç ÷åãî íåâîçìîæíî, íàïðèìåð, íè ñîçäàíèå íîâûõ ëåêàðñòâ, íè ðàñøèôðîâêà ãåíåòè÷åñêèõ ìåõàíèçìîâ, íè ìíîãèå äðóãèå âåùè, ëåæàùèå â ïîëå ñîâðåìåííîé íàóêè è òåõíèêè.
|