Вот почему Jaws пропали из виду более чем на час и намекают на очарование giftwrap. В кинотеатрах, гостиных и даже лабораториях можно рассчитывать на то, что острые ощущения от невидимого заставят нас гадать. Но когда дело доходит до скрытого химического мира клеток, ученым больше не нужно удивляться.

Вдохновленные этим же трепетом, исследователи из Института передовых наук и технологий Бекмана разработали инновационный способ "увидеть" тонкую структуру и химический состав человеческой клетки с непревзойденной ясностью и точностью. Их техника, появившаяся в PNAS ранее на этой неделе был применен творческий - и нелогичный - подход к обнаружению сигналов.

"Биология - одна из самых захватывающих наук нашего времени, потому что всегда существовала пропасть между тем, что мы можем видеть, и тем, чего мы не можем видеть", - сказал Рохит Бхаргава, профессор биоинженерии в Университете Иллинойса Урбана-Шампейн, который руководил исследованием.

Будучи мельчайшими функциональными единицами в нашем организме, клетки уже давно привлекают внимание исследователей, заинтересованных в определении того, из чего они состоят и где находится каждый элемент. Вместе "что" и "где" образуют универсальный клеточный план, который можно использовать для изучения биологии, химии, материалов и многого другого.

До этого исследования получение копии этого чертежа с высоким разрешением считалось одним из невозможных.

"Теперь мы можем видеть внутри клеток с гораздо более высоким разрешением и со значительными химическими деталями легче, чем когда-либо", - сказал Бхаргава. "Эта работа открывает целый ряд возможностей, в том числе новый способ изучения комбинированных химических и физических аспектов, которые управляют развитием человека и болезнями".

Работа исследователей основывается на предыдущих достижениях в области химической визуализации.

В то время как оптическая микроскопия использует видимый свет для освещения характеристик на уровне поверхности, таких как цвет и структура, химическая визуализация использует невидимый инфракрасный свет, чтобы выявить внутреннюю работу образца.

Когда ячейка подвергается воздействию ИК-излучения, ее температура повышается, и она расширяется. Благодаря очкам ночного видения мы знаем, что нет двух объектов, поглощающих ИК-волны совершенно одинаково; сравнение пуделя со скамейкой в парке является достаточным доказательством того, что более теплые объекты излучают более сильные ИК-сигнатуры, чем более холодные. То же самое верно и внутри клетки, где каждый тип молекул поглощает инфракрасный свет с незначительно отличающейся длиной волны и излучает уникальную химическую сигнатуру. Изучение структуры поглощения - метод, называемый спектроскопией, - позволяет исследователям точно определить местонахождение каждого из них.

В отличие от очков ночного видения, исследователи не анализируют характер поглощения в виде цветового спектра. Вместо этого они интерпретируют ИК-волны с помощью детектора сигналов: крошечный луч, прикрепленный к микроскопу на одном конце, с тонким наконечником, который царапает поверхность клетки, как наноразмерная игла проигрывателя грампластинок.

Инновации в спектроскопии за последнее десятилетие были сосредоточены на неуклонном увеличении интенсивности начальных ИК-длин волн.

"Это интуитивный подход, потому что мы привыкли думать о больших сигналах как о лучших. Мы думаем: "Чем сильнее ИК-сигнал, тем выше становится температура ячейки, тем больше она расширяется и тем легче ее будет увидеть", - сказал Бхаргава.

В этом подходе скрыта значительная неудача. По мере расширения ячейки движение детектора сигнала становится более преувеличенным и генерирует "шум": так называемую статику, которая препятствует точным химическим измерениям.

"Это похоже на увеличение громкости на статичной радиостанции - музыка становится громче, но и помехи тоже", - сказал Сет Кенкель, аспирант лаборатории профессора Бхаргавы и ведущий автор исследования.

Другими словами, независимо от того, насколько мощным становился ИК-сигнал, качество химической визуализации не могло улучшиться.

"Нам нужно было решение, чтобы остановить увеличение шума вместе с сигналом", - сказал Кенкель.

Предложенное исследователями средство от зашумленной сотовой визуализации работает путем отделения ИК-сигнала от движения детектора, что позволяет усилить изображение без дополнительного шума.

Вместо того, чтобы сосредоточить свою энергию на максимально сильном ИК-сигнале, исследователи начали с экспериментов с наименьшим сигналом, которым они могли управлять, гарантируя, что они смогут эффективно реализовать свое решение, прежде чем увеличивать мощность. По словам Кенкеля, хотя это и "противоречит здравому смыслу", начало с малого позволило исследователям отметить десятилетие исследований в области спектроскопии и заложить важнейший фундамент для будущего этой области.

Бхаргава сравнивает этот подход с неудачной дорожной поездкой.

"Представьте, что исследователи спектроскопии ехали в машине в Большой каньон. Конечно, каждый мог бы подумать, что чем быстрее движется автомобиль, тем быстрее они доберутся до места назначения. Но проблема в том, что машина направляется на восток от Урбаны", - сказал он.

Увеличение скорости гипотетического автомобиля аналогично усилению ИК-сигнала.

"Мы остановились, посмотрели на карту и направили машину в правильном направлении. Теперь увеличенная скорость - увеличенный сигнал - может эффективно продвигать поле вперед ".

"Карта" исследователей позволяет получать химическую и структурную визуализацию клеток с высоким разрешением в наномасштабе - масштабе, в 100 000 раз меньшем, чем прядь волос. Примечательно, что этот метод не содержит флуоресцентной маркировки или окрашивания молекул для увеличения их видимости под микроскопом.

В то время как оборудование в наборе микроскопии Бекмана имело решающее значение для экспериментальной стадии исследования, сама идея возникла не из-за сложной технологии, а из культуры, которая поддерживала любознательность, нестандартное решение проблем и разнообразные перспективы.

"Вот почему Институт Бекмана - удивительное место", - сказал Бхаргава. "Для этого проекта требовались идеи из спектроскопии, машиностроения, обработки сигналов и, конечно же, биологии. Вы не можете легко объединить эти поля нигде, кроме Beckman. Это исследование является классическим примером сочетания Бекманом междисциплинарной науки на переднем крае передовой науки и техники".

Исследование, о котором сообщается в этом пресс-релизе, было частично поддержано Национальным институтом биомедицинской визуализации и биоинженерии Национальных институтов здравоохранения под номерами наград T32EB019944 и R01EB009745, а также Национальным научным фондом под номером премии 2153032. Этот контент является исключительной ответственностью авторов и не обязательно отражает официальную точку зрения NIH.