Флуоресцентая микроскопия высокого разрешения

17.10.2014

Чтобы рассмотреть клетку и ее содержимое, мы должны взять микроскоп. Его принцип работы относительно прост: лучи света проходят через объект, а потом попадают в увеличительные линзы, так что мы можем разглядеть и клетку, и некоторые органеллы внутри нее, например, ядро или митохондрии.

Но если мы захотим увидеть молекулу белка или ДНК, или рассмотреть крупный надмолекулярный комплекс вроде рибосомы, или вирусную частицу, то обычный световой микроскоп окажется бесполезен. Еще в 1873 году немецкий физик Эрнст Аббе вывел формулу, полагающую предел возможностям любого светового микроскопа: оказывается, в него нельзя увидеть объект, размером меньше половины длины волны видимого света - то есть меньше 0,2 микрометров.

Решение, очевидно, состоит в том, чтобы выбрать нечто, что смогло бы заменить видимый свет. Можно использовать пучок электронов, и тогда мы получим электронный микроскоп - в него можно наблюдать вирусы и белковые молекулы, но наблюдаемые объекты при электронной микроскопии попадают в совершенно неестественные условия. Поэтому исключительно удачной оказалась идея Штефана Хелля (Stefan W. Hell) из Института биофизической химии Общества Макса Планка (Германия), которому в начале 90-х голов пришла в голову мысль использовать для визуализации макромолекул и их комплексов стимулированное флуоресцентное излучение.

Суть идеи состояла в том, что объект можно облучить лазерным лучом, который переведет биологические молекулы в возбужденное состояние. Из этого состояния они начнут переходить в обычное, освобождаясь от излишков энергии в виде светового излучения - то есть начнется флуоресценция, и молекулы станут видимыми. Но излучаемые волны будут самой разной длины, и у нас перед глазами будет неопределенное пятно. Чтобы такого не случилось, вместе с возбуждающим лазером объект обрабатывается гасящим лучом, который подавляет все волны, кроме тех, которые обладают нанометровой длиной. Излучение с длиной волны порядка нанометров как раз позволяет отличить одну молекулу от другой.

Метод получил название STED (stimulated emission depletion), и как раз за него Штефан Хелль получил свою часть Нобелевской премии. При STED-микроскопии объект не охватывается лазерным возбуждением сразу целиком, а как бы прорисовывается двумя тонкими пучками лучей (возбудителем и гасителем), потому что чем меньше область, которая флуоресцирует в данный момент времени, тем выше разрешение изображения.

Метод STED впоследствии дополнился так называемой одномолекулярной микроскопией, разработанной в конце XX века независимо двумя другими нынешними лауреатами, Эриком Бетцигом (Eric Betzig) из Института Говарда Хьюза и Уильямом Мернером (William E. Moerner) из Стэнфорда. В большинстве физико-химических методов, полагающихся на флуоресценцию, мы наблюдаем суммарное излучение сразу множества молекул. Уильям Мернер как раз предложил способ, с помощью которого можно наблюдать за излучением одной молекулы. Экспериментируя с зеленым флуоресцентным белком (GFP), он заметил, что у его молекул свечение можно произвольно включать и выключать, манипулируя длиной возбуждающей волны. Включая и выключая флуоресценцию разных молекул GFP, их можно было наблюдать в световой микроскоп, не обращая внимания на нанометровое ограничение Аббе. Целое изображение можно было получить, просто совместив несколько снимков с разными светящимися молекулами в поле наблюдения. Эти данные были дополнены идеями Эрика Бетцига, который предложил увеличить разрешение флуоресцентной микроскопии, использовав белки с разными оптическим свойствами (то есть, грубо говоря, разноцветные).

Совмещение метода возбуждения-гашения Хелля с методом суммы наложений Бетцига и Мернера позволило разработать микроскопию с нанометровым разрешением. С ее помощью мы можем наблюдать не только органеллы и их фрагменты, но и взаимодействия молекул друг с другом (если молекулы пометить флуоресцентными белками), что, повторим, далеко не всегда возможно с электронно-микроскопическими методами. Значение метода трудно переоценить, ведь межмолекулярные контакты - это то, на чем стоит молекулярная биология и без чего невозможно, например, ни создание новых лекарств, ни расшифровка генетических механизмов, ни многие другие вещи, лежащие в поле современной науки и техники.

<< Назад: Миниатюрная плата Tah для управления электронными устройствами по Bluetooth 18.10.2014

>> Вперед: Беспроводной датчик CoinGuard для охранной сигнализации 17.10.2014

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Вкусовые пристрастия формируются еще в утробе 30.05.2026

Предпочтения человека к еде закладываются задолго до первого прикорма. Современная наука подтверждает, что ребенок начинает знакомиться с ароматами и вкусами пищи еще до рождения, через околоплодные воды. Новое международное исследование показало, что регулярное потребление определенных продуктов беременной женщиной может формировать долгосрочные пищевые предпочтения у ребенка, сохраняющиеся даже спустя годы после появления на свет. Ученые из университетов Великобритании, Франции и Нидерландов провели эксперимент с участием беременных женщин. Одной группе будущих мам давали капсулы с порошком капусты кейл, другой - с порошком моркови. Реакцию детей на эти запахи проверяли в три этапа: сначала в утробе матери с помощью 4D-УЗИ на поздних сроках беременности, затем в возрасте трех месяцев и, наконец, когда детям исполнилось три года. Результаты оказались весьма убедительными. Дети женщин, принимавших порошок кейла, положительно реагировали на запах этой капусты, но негативно - на ар ...>>

Монитор Philips 24B2D5300 с двумя экранами 120 Гц 30.05.2026

Компания Philips разработала интересное устройство, которое решает эту задачу элегантно и технологично. Новый монитор 24B2D5300 оснащен сразу двумя полноценными экранами - один спереди, другой сзади. Такая конструкция особенно востребована в банках, на рецепциях, в медицинских центрах и коворкингах, где важна прозрачность взаимодействия. Обе панели монитора представляют собой IPS-матрицы с диагональю 23,8 дюйма и разрешением Full HD (1920x1080 пикселей). Каждая из них поддерживает частоту обновления 120 Гц, что пока остается редкостью для бизнес-ориентированных моделей. Высокая частота обновления обеспечивает плавное изображение даже при динамичном контенте, делая работу за монитором более комфортной и презентации - более качественными. Пользователи могут выбирать между двумя основными режимами работы: дублирование одного и того же изображения на оба экрана или использование дисплеев как полностью независимых. Благодаря этому сотрудник может видеть на своей стороне рабочую информ ...>>

Цыплята из искусственного яйца, напечатанного на 3D-принтере 29.05.2026

Компания Colossal Biosciences, известная своими амбициозными инициативами по "воскрешению" вымерших животных, достигла важного прорыва. Специалистам удалось вырастить цыплят из полностью искусственного яйца, созданного с помощью 3D-печати. Эта технология рассматривается как значительный шаг на пути к возможному возрождению одного из самых впечатляющих представителей исчезнувшей фауны - гигантского моа. Южноостровной гигантский моа (Dinornis robustus) был одной из самых высоких птиц в истории Земли. Самки этого нелетающего родственника страусов могли вырастать выше двух метров и дотягиваться до пищи на высоте до 3,6 метра. Эти гиганты обитали в Новой Зеландии, однако полностью исчезли примерно в XV веке после активной охоты со стороны первых поселенцев-маори. Теперь Colossal Biosciences пытается вернуть подобных птиц в современный мир с помощью передовых биоинженерных решений. Искусственное яйцо, разработанное компанией, состоит из титановой решетчатой оболочки, изготовленной на 3 ...>>

Робот-бариста Jarvis 29.05.2026

Американский стартап Artly представил роботизированного баристу по имени Jarvis, который уже работает в кафе Muji в Портленде. Эта система не просто механически готовит кофе - она старается максимально точно воспроизводить технику и навыки чемпионов кофейного мастерства, превращая авторский кофе в стабильный и масштабируемый продукт. Основателем кофейной философии проекта стал Джо Янг, занимающий должность Chief Coffee Officer в Artly. Выросший в Китае, он впервые попробовал кофе только в 2007 году во время учебы в Оклендском университете в Новой Зеландии. Сначала эспрессо привлек его как самый бюджетный напиток в меню, но постепенно интерес перерос в профессиональную страсть. Джо Янг стал победителем нескольких национальных чемпионатов США по обжарке кофе, приготовлению напитков и лате-арту. Для обучения Jarvis команда Artly применила систему захвата движений. На руку Джо Янга установили специальные датчики, которые записывали каждое движение при наливании молока и создании лате ...>>

Генетический резервный план растений 28.05.2026

Многие растения обладают удивительной способностью адаптироваться к самым суровым условиям окружающей среды. Одним из скрытых механизмов их выносливости оказалась полиплоидия - наличие более двух наборов хромосом в клетках. Это явление, распространенное среди растений, но редкое у животных, может действовать как эволюционный страховочный фонд. Новое исследование показывает, что именно дополнительные копии генома помогали цветковым растениям неоднократно переживать масштабные климатические кризисы на протяжении миллионов лет. Ученые проанализировали геномы 470 видов покрытосеменных растений и выявили 132 древних события полного удвоения генома. Эти события не были случайными: они четко группировались вокруг периодов глобальных экологических потрясений. Среди них - мелово-палеогеновое массовое вымирание 66 миллионов лет назад, палеоцен-эоценовый термический максимум, эоцен-олигоценовый переход, среднемиоценовое климатическое нарушение и океанические аноксические события. Исследован ...>>

Случайная новость из Архива Проектор в кулаке 25.11.2006 Немецкие инженеры почти собрали проектор размером с кусочек сахара. Нынешние проекторы, которые позволяют докладчику показать на большом экране файлы с графиками и картинками, обладают двумя недостатками: большой размер и немалая цена. Причина в том, что сердце проектора - массив из миллионов микрозеркал, которые и формируют изображение с помощью мощной лампы. Ученые из Фраунгоферовского института прикладной оптики и точной механики (ФРГ) доказали, что оба недостатка преодолимы, сконструировав проектор, размер которого немного больше, чем у монетке в один евро. В этом минипроекторе не миллион зеркал, а одно-единственное, зато способное вращаться в двух плоскостях. Источником же света служат полупроводниковые микролазеры вроде тех, что применяют в указках. Вот эти-то лазеры и не позволяют сделать проектор совсем маленьким. Дело в том, что если синий и красный лазеры уже "уменьшились" до нужного размера, то с зеленым такое превращение пока что не удается проделать, несмотря на многолетние усилия ученых всего мира. А когда удача им, наконец, улыбнется, тогда и появятся невиданные ныне устройства вроде сотового телефона, способного принимать телепрограмму и самостоятельно высвечивать изображение на большой экран. Ну а докладчик будет избавлен от проблем стыковки с оборудованием принимающей стороны: его собственный ноутбук все и покажет. В лучшем виде.

Смотрите полный Архив новостей науки и техники, новинок электроники

www.diagram.com.ua
2000-2026