W skrócie
- Naukowcy zaprezentowali metodę mikroskopii ekspansyjnej 1000ExM, pozwalającą na powiększenie objętości próbek biologicznych miliard razy dzięki zastosowaniu specjalnego hydrożelu, co umożliwia dokładne mapowanie pozycji aminokwasów przy użyciu tanich mikroskopów optycznych.
- Technika ta pozwala uzyskać rozdzielczość poniżej nanometra i wizualizować struktury protein, co wzbudziło zarówno zachwyt, jak i sceptycyzm ekspertów.
- Metoda 1000ExM stanowi tańszą alternatywę dla kosztownych technik, takich jak kriomikroskopia elektronowa, i może być wykorzystywana do identyfikacji białek nawet w miejscach, gdzie specjalistyczny, drogi sprzęt jest niedostępny.
- Więcej podobnych informacji znajdziesz na stronie głównej serwisu, otwiera się w nowym oknie
Przełom w obrazowaniu biologicznym. Naukowcy powiększyli aminokwasy miliard razy
Naukowcy dokonali niesamowitego wyczynu w dziedzinie obrazowania biologicznego. Technika, która pozwala na "supersizing" komórek w celu ujawnienia ich najdrobniejszych szczegółów, osiągnęła gigantyczne rozmiary.
Wykorzystując polimer podobny do tych, które stosuje się w pieluchach, aby uczynić je superchłonnymi, badacze zwiększyli objętość próbek biologicznych aż miliard razy. Oznacza to 1000-krotne powiększenie w każdym wymiarze. Taki poziom ekspansji pozwoliłby napompować pojedynczą komórkę do rozmiarów mózgu myszy, a próbkę wielkości amerykańskiej dziesięciocentówki rozciągnąć do proporcji basenu olimpijskiego.
Dzięki temu podejściu badacze zmapowali pozycje aminokwasów (elementów budulcowych białek) zarówno w proteinach, jak i peptydach, używając do tego jedynie konwencjonalnych mikroskopów świetlnych. Opis tej metody pojawił się w artykule naukowym opublikowanym jako preprint na platformie bioRxiv.
Do tej pory oglądanie cząsteczek w tak dużym przybliżeniu wymagało kosztownych i skomplikowanych technik, takich jak kriogeniczna mikroskopia elektronowa (cryo-EM) lub krystalografia rentgenowska. Nowa metoda umożliwia takie obserwacje znacznie niższym kosztem, co stanowi duże ułatwienie dla słabiej finansowanych ośrodków badawczych.
"Staramy się tworzyć struktury na wzór tych z cryo-EM, używając tanich mikroskopów optycznych" - tłumaczy Ali Shaib, specjalista od badań w nanoskali z University Medical Center Göttingen (UMG). "To demokratyzacja biologii strukturalnej" - dodaje jego kolega i współautor, Silvio Rizzoli, neurobiolog i specjalista ds. obrazowania z tego samego ośrodka w Niemczech.
Zobacz również:
Ewolucja mikroskopii ekspansyjnej. Przesuwa granice widzialnego
Prawa fizyki drastycznie ograniczają moc optyczną mikroskopów świetlnych - obiekty oddalone od siebie o mniej niż około 200 nm stają się niemożliwe do rozróżnienia. Techniki mikroskopii świetlnej o superrozdzielczości, opierające się zazwyczaj na optycznych sztuczkach i drogim sprzęcie, zdołały obniżyć ten limit rozdzielczości poniżej 10 nm.
Neuroinżynier z MIT, Edward Boyden, współautor najnowszego badania, wraz ze swoim zespołem wynalazł w 2015 r. alternatywną metodę uzyskiwania ekstremalnie wysokiej rozdzielczości za pomocą zwykłych mikroskopów fluorescencyjnych. Wykorzystując pęczniejący hydrożel, naukowcy rozszerzyli próbki tkanek około 4-krotnie w każdym kierunku. To odsunęło od siebie składniki komórkowe, poprawiając rozdzielczość obrazowania.
Od tamtego czasu badacze dostosowywali metodę mikroskopii ekspansyjnej Boydena, aby "rozpęczniać" próbki do większych objętości, ale pozwalało to zwiększyć rozmiar maksymalnie 20-krotnie. Aby pójść dalej, zespół opracował nową recepturę hydrożelu - niezwykłego materiału, którego właściwości omawialiśmy wcześniej w GeekWeeku. Jak czytamy w abstrakcie badania, zespół wprowadził "architekturę czterech przeplatających się sieci hydrożelowych", która umożliwia sukcesywną ekspansję od ok. 18-krotnej do ponad 1000-krotnej.
Inżynierowie postawili hipotezę, że poszczególne reszty białkowe można zobrazować poprzez zakotwiczenie ich łańcuchów bocznych do pęczniejącego polimeru, rozszczepienie wiązań amidowych w szkielecie białkowym i odsunięcie reszt od siebie na odległość umożliwiającą ich oddzielną wizualizację. W tym celu wykorzystali podejście zwane mikroskopią ONE. Oczyszczone białka zostały powiązane z hydrożelem, a następnie rozbite za pomocą enzymów lub ciepła. Pozwoliło to na rozciągnięcie cząsteczek bez naruszania ich trójwymiarowego kształtu.
Precyzja poniżej nanometra na zwykłych mikroskopach optycznych
Stosując metodę 1000-krotnej ekspansji ("1000ExM"), naukowcy oznaczyli kilka z 9 aminokwasów tworzących peptyd mCLING. Następnie zobrazowali względne pozycje tych elementów budulcowych przy użyciu mikroskopu fluorescencyjnego. Pomiary okazały się spójne ze strukturami mCLING pochodzącymi z symulacji komputerowych. Analiza obliczeniowa wykazała, że technika ta pozwala rozróżnić sąsiadujące reszty aminokwasowe, osiągając precyzję poniżej nanometra na konwencjonalnych mikroskopach optycznych (świetlnych).
Dzięki tej metodzie udało się też zaobserwować strukturę tzw. nanociała (mniejszej wersji przeciwciała) oraz lokalizację niektórych jego aminokwasów. Ponadto naukowcy użyli tej techniki do zmapowania wcześniej określonej struktury zielonego białka fluorescencyjnego (GFP), które jest powszechnie stosowane w biotechnologii do znakowania innych białek.
Choć zrekonstruowany z tysięcy ujęć model GFP osiągnął rozdzielczość rzędu 1,2 nm (12 angstremów), wynik ten wciąż ustępuje precyzji krystalografii rentgenowskiej (która dla GFP wynosi 1,9 angstrema) czy standardowym osiągnięciom cryo-EM. Autorzy jednak zaznaczają, że w nowszych, jeszcze nieopublikowanych badaniach poprawki techniczne pozwoliły już zejść poniżej bariery 10 angstremów dla wyizolowanych białek.
Co więcej, według Silvio Rizzoliego zespół potrafi już obrazować kształty białek bezpośrednio wewnątrz struktur komórkowych z dokładnością do ok. 10 angstremów. Ekspert uważa jednak, że chodzi o więcej niż o same parametry techniczne. "Nie sądzę, że chodzi o rozdzielczość. Tu chodzi o to, co jesteś w stanie zobaczyć" - wyjaśnia.
Wynalazek przełamuje barierę ekonomiczną w biologii strukturalnej
Dotychczasowe techniki optycznej mikroskopii superrozdzielczej osiągały rozdzielczość rzędu angstremów (dziesięciomiliardowych części metra), jednak informacje strukturalne, które zapewniały, były ograniczone. Zaprezentowana przez uczonych metoda 1000ExM wzbudziła więc zachwyt ekspertów. "Ten artykuł zmienia wszystko. Zobaczyć GFP - to po prostu fantastyczne" - skomentował Lothar Schermelleh, specjalista ds. bioobrazowania z Uniwersytetu w Oksfordzie, cytowany przez "Nature".
Z kolei Kirti Prakash, biolog obliczeniowy z Anglia Ruskin University, podchodzi do tych rewelacji sceptycznie. Wątpi on, czy próbki powiększone 1000 razy w każdym wymiarze zachowują swoje pierwotne cechy, i uważa, że szczegóły strukturalne muszą zostać potwierdzone innymi metodami. "To bardzo cool i sexy nauka, ale osobiście sądzę, że nie odkryto tu nowej biologii" - ocenia sceptycznie.
Powiększenie próbek biologicznych miliard razy niesie za sobą oczywiste wyzwania techniczne. Przy takiej skali nawet umiarkowanie duże białka mogą zająć całe pole widzenia mikroskopu. Uzyskanie struktur o wysokiej rozdzielczości wymaga "uśredniania" licznych cząstek, więc naukowcy mogą potrzebować ogromnej liczby zdjęć do zrekonstruowania pojedynczej struktury białka.
Helena Hu, bioinżynierka z MIT i współautorka badania, zauważa jednak, że technikę tę można połączyć z automatycznym obrazowaniem, ponieważ "żele zachowują swój rozmiar przez wiele dni bez kurczenia się". Metoda pozwala także na obrazowanie białek, które są zbyt małe dla cryo-EM.
Co dalej? Nowe podejście wzbudza ogromne nadzieje na obniżenie barier ekonomicznych w biologii strukturalnej. Przykładowo obecnie w całej Afryce znajduje się tylko jedna placówka wyposażona w cryo-EM. "Możecie sobie wyobrazić proteinę w skali strukturalnej pod mikroskopem, który kosztuje od 5 do 10 tys. funtów albo dolarów. Ten mikroskop istnieje tam, gdzie cryo-EM nie jest dostępna" - podsumowuje John Danial, badacz fotoniki eksperymentalnej.
Warto dodać, że w związku z badaniem zgłoszono interesy komercyjne. Część współautorów posiada patenty związane z mikroskopią 1000x, mikroskopią ONE oraz ogólną mikroskopią ekspansyjną, a jeden z nich jest współzałożycielem firmy badającej jej komercyjne zastosowania. Badacze przewidują, że 1000ExM znajdzie szerokie zastosowanie w wizualizacji i identyfikacji białek - potencjalnie nawet w nienaruszonych komórkach i tkankach.
Źródła:
- Hu H., Krah D., Ntolkeras A. et al. Thousandfold Expansion Microscopy. bioRxiv (2026). DOI: 10.64898/2026.05.31.729018
- Callaway E. Making samples one billion times bigger lets simple microscopes pinpoint amino acids. Nature (2026). DOI: 10.1038/d41586-026-01842-9
