Физики усовершенствовали электронный микроскоп, чтобы биологи в деталях видели мелкие белки
Физикам долго не удавалось применить фазовый контраст в электронной микроскопии. Оказалось, что нужно было прекратить искать подходящее вещество для фазовой пластины и обратить внимание на лазеры.
Когда оптические микроскопы стали давать достаточное увеличение, чтобы в них были видны отдельные клетки, исследователи столкнулись с проблемой низкой контрастности. Клетки животных и растений в основном прозрачны для видимого света. Маленькие клеточные структуры, ядра и митохондрии, рассеивают небольшое количество света, что делает их лишь немного темнее остального содержимого клетки. Этот низкий контраст обычно улучшают предварительным окрашиванием биологического материала, хотя оно сильно меняет клетку.
Проблему низкого контраста решил Фриц Цернике, предложив фазовую пластину, за что получил Нобелевскую премию. Он понял, что свет, рассеиваясь на клетке, не только теряет яркость (амплитуду), но и замедляется, меняется его фаза. Человеческому глазу фазовый сдвиг невидим, но можно заставить его проявиться, если сдвинуть фазу нерассеянного света на 90 градусов.
Когда рассеянный и нерассеянный свет фокусируются на сетчатке и взаимодействуют, световые волны усиливают или гасят друг друга. Так детали образца становятся видны лучше, повышается контрастность. Чтобы использовать этот эффект, ученый добавил в микроскоп фазовую пластину. Эта деталь поворачивает фазу света, прошедшего через образец без рассеяния.
Сейчас биологи используют уже электронные микроскопы для исследования мелких структур внутри клетки. Этот прибор направляет на образец не фотоны, а электроны. Но и в этой микроскопии проявилась проблема контраста. Причем сделать для электронного микроскопа аналог фазовой пластины долго не получалось — когда экспериментаторы меняли фазу электронного пучка, то попутно слишком сильно уменьшали его интенсивность, делали изображения нестабильными или снижали его разрешение.
Физики Калифорнийского университета в Беркли (США) нашли способ повысить контраст изображений настолько, что стали четко видны небольшие человеческие белки, такие как гемоглобин. Для этого потребовалось больше 10 лет исследований и мощный лазер с высокой точностью фокусировки. Статья о разработке опубликована в журнале Science.
Ученые сосредоточились на криоэлектронной микроскопии и криоэлектронной томографии — методах, работающих при высоком увеличении для сильно охлажденного образца. Большинство белков человека и животных без усиления контраста слишком малы для анализа этими методами.
Чтобы решить проблему, физики добавили на место пластины лазерное излучение. Они сфокусировали непрерывный луч лазера в пятно размером несколько микрон и мощностью 75 киловатт. В точке пересечения с пучком электронов лазерное излучение сдвигает фазу на 90 градусов благодаря накопленной энергии.
В статье исследователи показали восстановленные изображения фермента альдолазы, который относительно легко визуализировать, и гемоглобина — белка, переносящего кислород в крови, — который виден на пределе возможностей современных приборов. Лазерная фазовая пластина улучшила разрешение структуры белка в обоих случаях, но особенно для меньшей молекулы — гемоглобина.
Молекулярную массу белка измеряют в дальтонах. Современная криоэлектронная микроскопия с трудом визуализирует белки меньше 70 килодальтон, а они составляют около 90 процентов от всех белков организма человека. Авторы статьи считают, что с лазерной фазовой пластиной стало возможно рассматривать белки размером до 50 килодальтон, а это уже половина белков человека. Они надеются довести разрешение до размеров миоглобина — около 17 килодальтон.
«Это дополнение к криоэлектронной микроскопии может заполнить огромный пробел в наших знаниях о структурах белков, которые невозможно кристаллизовать или которые слишком малы для современного состояния техники. А для криоэлектронной томографии это будет революцией», — рассказал Хольгер Мюллер (Holger Müller), профессор физики Калифорнийского университета в Беркли (США), который руководил разработкой.
Исследователи считают, что такая точность может качественно изменить наше понимание механизмов возникновения и протекания болезней.
Telegram 
Дзен 
VK Ученые с высокой точностью измерили ключевые параметры нейтринных осцилляций — угол смешивания θ₁₂ и разность квадратов масс нейтрино. Результаты верифицировали несколькими методами.
Помет сусликов, сохранившийся на протяжении сотен тысячелетий в глубоких слоях вечной мерзлоты северо-запада Канады, оказался своеобразной «капсулой времени». Экскременты грызунов содержат удивительное количество древней ДНК, раскрывая множество подробностей об эволюционной истории Арктики.
Исследователи НИУ ВШЭ и МГУ доказали универсальный закон, описывающий время исчезновения популяций в случайной среде. Анализ эволюции ветвящихся процессов — сложных вероятностных систем — показал, что вне зависимости от изначального числа особей процесс вымирания подчиняется строгим математическим закономерностям.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
В 2017 году человечество впервые заметило объект, прилетевший из другой звездной системы. Он оказался странным, почти не похожим ни на астероид, ни на комету, и получил имя Оумуамуа. Затем появился «нормальный» межзвездный странник — комета Борисова. А в 2025-м астрономы обнаружили 3I/ATLAS — объект, который, вероятно, хранит вещество времен рождения чужих миров. Но что изменили в астрономии эти три гостя из межзвездной тьмы?
Новые данные о «тренировочной» миссии перед возвращением американцев на Луну показали, что NASA пока не может использовать системы жизнеобеспечения самого большого космического корабля в истории. Это ставит вопрос о том, возможна ли высадка астронавтов на Селене в намеченные сроки и вообще до 2029 года.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно
Последние комментарии