Жизнь клетки в одном кадре: швейцарские ученые разработали сверхбыстрый 3D-микроскоп

Швейцарские ученые разработали новую технологию микроскопии, способную фиксировать быстро меняющиеся процессы внутри живых клеток с помощью одного объемного 3D-снимка. Инновационный метод, получивший название SPIFFI (пространственная поляризационно-индуцированная флуоресцентная визуализация), изобретен группой ученых под руководством Александры Раденович из Лаборатории наноразмерной биологии (LBEN) Инженерной школы EPFL. Результаты научной работы опубликованы в рецензируемом журнале Nature Methods.

Традиционная флуоресцентная микроскопия сверхвысокого разрешения работает по принципу объединения сотен или тысяч последовательных кадров. Это требует длительного времени экспозиции. Подобный подход применяется при изучении химически зафиксированных тканей, однако при работе с живыми биологическими образцами возникает эффект размытия. Внутриклеточные структуры, включая митохондрии, микротрубочки и молекулы ДНК, находятся в постоянном движении. При длительной съемке их контуры сливаются, что делает невозможным наблюдение за динамическими изменениями.

Технология SPIFFI решает проблему потери временного разрешения, используя эффект поляризации флуоресцентного света для получения детализированных изображений подвижных объектов. Метод основан на разделении светового сигнала на несколько поляризационных каналов. Прибор регистрирует пространственные флуктуации излучения, зависящие от ориентации диполей молекул. За счет меньшей функции рассеяния точки при поляризованном детектировании разрешение увеличивается аппаратно после получения единственного снимка с камеры, извлекая многомерную информацию о клетке.

В ходе экспериментов команда EPFL продемонстрировала работу технологии на биологических образцах. Ученым удалось получить объемные трехмерные изображения наружной мембраны митохондрий и зафиксировать процесс их слияния в режиме реального времени. Согласно данным исследования, система обеспечивает детализацию объектов размером до 80 нанометров без применения многоэтапных вычислительных процессов пост-обработки множества кадров.

Система SPIFFI аппаратно совместима с существующими флуктуационными алгоритмами, что дает возможность дополнительно повышать итоговое разрешение снимков. Швейцарская разработка позволяет проводить высокоскоростную многомерную съемку внутриклеточных процессов, наблюдение за которыми с помощью оптических микроскопов ранее было ограничено физическим дифракционным пределом.

Источник: nature.com