Zahlavi

Nový mikroskop zobrazuje pohyb molekuly velké jako tisícina vlasu, a to ve 3D

19. 05. 2021

Hranice jsou prolomeny. Sledovat mikroskopem procesy na molekulární úrovni bylo ještě donedávna nemožné – v buňkách se vše odehrává ve zlomku sekundy a jednotliví účastníci této podívané jsou tak drobní, že zatím vzdorovali zrakům zvědavců. Vědci z Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR však nyní učinili první kroky k odhalení jevů hluboko pod povrchem. Objevili novou technologii optické mikroskopie, díky níž zrekonstruovali dokonce trojrozměrný rozpohybovaný obraz ze života jedné molekuly. Jejich studii uveřejnil časopis Nature Communications.

Také se někdy zadíváte třeba na vlastní ruku a říkáte si, kolik asi procesů se v ní každou sekundu odehrává? Aby prsty mohly uchopit propisku a psát, aby se odřenina po pádu z kola nebo spálenina od hrnce zacelily a po několika dnech po nich nebyla ani veta. Věda už spoustu pochodů lidského či obecně živočišného těla nebo rostlin zná, dokáže je popsat a vysvětlit. Ne vždy ale umí vše i pozorovat. Přitom vidět na vlastní oči znamená posouvat hranice poznání. Jenže jak sledovat něco, co je třeba tisíckrát tenčí než lidský vlas?

Vidět více a v jemnějších detailech – to je cíl nanooptiky, oboru, který se ujímá žezla tam, kde klasická mikroskopie naráží na své limity. Už před více než sto lety německý fyzik Ernst Abbe popsal, že ani ten nejlepší optický mikroskop nedokáže rozlišit struktury menší než zhruba polovina vlnové délky světla, tedy asi 200 nanometrů. Až přelom milénia přinesl průlom zdánlivě nepřekročitelného difrakčního limitu. Superrozlišovací optické mikroskopy, ověnčené Nobelovou cenou, odhalily vědcům buňky a jejich součásti ve své plné, byť ještě poněkud rozmazané kráse, stále se však nedařilo dostatečně rychle zachytit, jak tyto biomolekuly pracují a jak se mění.

Život nanočástic ve 3D
Tým vědců z Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR zná metody a postupy, jak se dívat nejen do nitra buněk, ale ještě dál – do nitra jejich stavebních kamenů – a současně sledovat procesy látkové přeměny, chování a život buněk. Badatelé nyní jeden takový buněčný příběh rozklíčovali, a dokonce zobrazili trojrozměrně.

„Dokážeme zrekonstruovat dynamiku uvnitř molekul v buňce, výsledkem je živý hologram. Jinými slovy umíme trasovat polohu nanočástice, která se pohybuje v malé struktuře, a to ve třech rozměrech a každou milisekundu. Tisíckrát za sekundu tedy proskenujeme celý objem vzorku a lokalizujeme její polohu,“ říká Marek Piliarik, vedoucí výzkumného týmu nanooptiky.

 Soustava mikroskopů
Mikroskopová sestava pro rekonstrukci trojrozměrného obrazu molekul

Ve spolupráci s kolegy z Biotechnologického ústavu AV ČR fyzici popsali činnost důležitého proteinu podílejícího se na dělení buněk. Do středu jejich zájmu se dostaly mikrotubuly a jejich interakce s proteinem Ase1. Mikrotubuly vzhledem připomínají vlákna, v průměru mají 25 nanometrů, tedy asi tisícinu lidského vlasu, zabezpečují vyztužení buňky a umožňují její dělení i pohyb.

„Na povrch mikrotubulu se váže zmíněný protein, ne ovšem napevno, ale tak, že se může pohybovat, klouže po něm, slouží jako ložisko,“ vysvětluje Marek Piliarik. „Proplétá tak mikrotubuly mezi sebou. Jeho neustálý rychlý pohyb nás vždy fascinoval, avšak bylo velmi obtížné jej detailně popsat a pochopit,“ dodává Zdeněk Lánský z Biotechnologického ústavu AV ČR.

Podařilo se to až nyní díky prostorovému modulátoru světla za pomoci velmi rychlých změn teploty. Součástí zařízení je laserem zahřívaný čip, v němž se vytvoří gradientní čočka. „Je to podobný jev jako fata morgána nad silnicí – jakmile se zahřívá vzduch, dochází k jinému indexu zlomu a začne odrážet světlo. Podobným efektem ovlivňujeme šíření světla v našem mikroskopu,“ přibližuje technickou stránku složitého přístroje fyzik. Tým jeho spolupracovníků v čele s Hadrienem Robertem celý postup optimalizoval tak, že je tepelná změna mnohem rychlejší – dokážou sledovaný vzorek teplem modulovat asi desettisíckrát za sekundu.

Hra stínů
A jak tedy hologram mikrotubulu a jeho souputníka proteinu vypadá? Vědci stále nemohou pozorovat molekuly v ostrých obrysech, vidí spíše jejich stín, hologram je v jednom směru difrakčně rozmazaný, ale v kolmém je možné určit jeho vzdálenost od povrchu s přesností na nanometry. Člověk typicky vidí šedou tečku, která mění svou polohu a kontrast. Prostorový modulátor umožní hbitě přeostřovat a každá tato změna přinese informaci o poloze a vlastnostech molekuly. Z těchto dat je pak možné zpětně zrekonstruovat její plynulý pohyb.

Měnící se obraz částice
Měnící se obraz částice je mnohem menší než vlnová délka světla v závislosti na nastavení fáze na modulátoru.

„V zásadě nevidíme, jestli je molekula rovná, nebo zahnutá. To, co vidíme, lze připodobnit třeba ke kruhům ve vodě, když do ní hodíte kámen. Nezáleží, jestli byl placatý, nebo kulatý, vždy budou výsledkem kruhy,“ objasňuje Marek Piliarik. Vědci nicméně podle polarizačních vlastností světla zaznamenají, pokud molekula tvar změní. Upozorní je na to změna signálu, protože každý tvar rozptyluje světlo jinak.

Odborníci z oddělení nanooptiky v Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR a Biotechnologického ústavu AV ČR si letos připsali již druhý velký úspěch. Vedle článku o hologramu proteinu klouzajícího po mikrotubulu, jejž uveřejnil prestižní časopis Nature Communications, již v únoru vysvětlili dynamiku při rozpadu mikrotubulů. Jev známý dekády a zobrazovaný jako kudrlinky proteinů se díky vysokorychlostnímu snímání speciální rozptylovou mikroskopií podařilo popsat do dosud nepoznaných detailů. Objevu dokonce věnoval titulní stranu časopis Small Methods.

Small Methods
Obálka dubnového čísla časopisu Small Methods přinesla vyobrazení objevu českých vědců: rozpadajícího se mikrotubulu.

Oba výsledky vědci chtějí dále rozvíjet, nové mikroskopické metody nabízejí mnohá využití, především ve vědeckém prostředí, kde na objevení čeká nespočet fenoménů, které zatím nebylo možné doložit nebo popsat bez vhodné zobrazovací technologie. Uplatnění by však mohly najít i v komerčním světě, například spotřební elektronice. „Prostorové modulátory jsou technika, která je docela dobře zmapována, používá se mimo jiné v projektorech. Tam jsou podobné čipy na bázi tekutých krystalů, které jsou ale stokrát pomalejší než ty, jež jsme vyvinuli my. Zatím cílíme na vědecké aplikace, ale uvidíme, kam se úroveň technologií posune v budoucnu, třeba najdou naše poznatky uplatnění i na širším trhu,“ říká Marek Piliarik.

---

Metody mikroskopického zobrazování zdokonalují i vědci v Ústavu molekulární genetiky AV ČR. Prostřednictvím kryoelektronové mikroskopie se jim podařilo zobrazit buněčné struktury v téměř atomárním rozlišení. Více o jejich aktuálním projektu najdete v tiskové zprávě Nový mikroskop umožní vědcům pozorovat lipidy a lépe pochopit dění v srdci buněk.

Text: Jana Bečvářová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto:
NeuronCollective™; Small Methods; Nature Communications

Licence Creative Commons Text je uvolněn pod svobodnou licencí Creative Commons.

Aplikovaná fyzika

Vědecká pracoviště

Základní fyzikální zákony jsou v ústavech této sekce východiskem pro výzkum nových struktur a makroskopických vlastností pevných látek, tekutin a plazmatu. Studium mikrostruktury a mikroprocesů otvírá cestu k řešení problémů „materiálových věd“, jako jsou např. vlastnosti kompozitních materiálů a konstrukcí, poruchová mechanika a dynamika nebo biomechanika. Modelování prostorově vysoce strukturovaného turbulentního proudění rozličných tekutin, výzkum dynamiky kapalin a plynů biosféry či plazmových technologií jsou často výrazně aplikačně orientované. Studium vysokoteplotního plazmatu se soustřeďuje především na pulsní výkonové systémy a problémy udržení a ohřevu plazmatu v tokamaku. Bádání v oblasti aplikované fyziky má často interdisciplinární charakter a jeho výsledky také nacházejí použití v nejrůznějších oblastech vědy a techniky. Například umělá syntéza přirozené a dobře srozumitelné české řeči je důležitým úkolem v oboru zpracování číslicových signálů. Unikátní přístroje a měřící techniky byly vyvinuty pro spektroskopii a elektronovou mikroskopii živých objektů. Sekce zahrnuje sedm ústavů s přibližně 880 zaměstnanci, z nichž je asi 320 vědeckých pracovníků s vysokoškolským vzděláním.

Všechny výzkumné sekce