Inteligentne mikroskopy rzucają nowe światło na organizację komórek
Wnętrza komórek eukariotycznych zawierają struktury zwane organellami(odnośnik otworzy się w nowym oknie), które są wyspecjalizowane w różnych funkcjach życiowych, takich jak wytwarzanie energii (mitochondria) i przechowywanie materiału genetycznego (jądro). Wnętrza komórek są tak zatłoczone, że znajdujące się w nich cząsteczki, takie jak białka i kwasy nukleinowe, regularnie wpadają na siebie. To zjawisko stanowiło inspirację dla zespołu projektu Piko, który został sfinansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Jak wyjaśnia Suliana Manley(odnośnik otworzy się w nowym oknie), koordynatorka projektu: „Chcieliśmy zrozumieć, jak zatłoczenie może wpływać na dynamiczne procesy, ponieważ zbyt duży ruch tworzy wąskie gardła, spowalniając wszystko”. Zespół projektu Piko był szczególnie zainteresowany podobieństwami między mitochondriami i bakteriami - mitochondria wyewoluowały z bakterii, a każde z nich zawiera własny kod genetyczny. Zespół zbadał, w jaki sposób zatłoczenie wpływa na organizację DNA podczas jego replikacji (kopiowania) i segregacji (rozdzielania), zarówno w przypadku bakterii, jak i mitochondriów. „Pomimo ich prostoty, zwłaszcza w porównaniu z ludzkimi komórkami, bakterie są w stanie przetrwać w trudniejszych warunkach, zwykle w stanie spoczynku lub niskiej aktywności, co pozwala im wytrzymać okresy głodu”, mówi Manley. „Złożone zachowanie cytoplazmy bakterii jest kluczem do ich przetrwania, ale jego wpływ na procesy takie jak organizacja DNA został słabo zbadany”.
Inteligentna mikroskopia - delikatniejszy sposób powadzenia badań
Aby zbadać organizację i dynamikę wnętrz bakterii i mitochondriów w żywych komórkach, zespół musiał stawić czoła wyzwaniom związanym z obrazowaniem. Przy niewielkiej liczbie cząsteczek biorących udział w procesach wykrywanie sygnałów ostrzegawczych jest trudne. Ponadto procesy te są chwilowe - występują tylko przez krótki okres w cyklu komórkowym. Co więcej, interesujące badaczy cechy są często zbyt małe, aby wykryć je za pomocą klasycznej mikroskopii świetlnej. „Komórki i mitochondria są wrażliwe na światło, w związku z czym musieliśmy unikać zakłócania ich działania podczas obserwacji”, dodaje Manley. Zespół projektu dostosował różne formy mikroskopii wymagające światła o mniejszym natężeniu, rozwijając trzy obszary - inteligentną mikroskopię, fotometrię masową wysokiej rozdzielczości i wieloparametrowe mapowanie obiektów za pomocą nanoskopii optycznej (MOON). Choć dwa ostatnie rozwiązania są obecnie na etapie weryfikacji założeń koncepcji, zespół projektu Piko przyczynił się do istotnego rozwoju inteligentnej mikroskopii, zapewniając delikatniejszą metodę badań na potrzeby odkryć biologicznych. Zespół wytrenował także sieć neuronową w celu rozpoznawania określonych kształtów mitochondriów, które uruchamiały mikroskop. „Monitorowaliśmy dynamikę komórek za pomocą delikatnego białego światła, aktywując fluorescencję tylko wtedy, gdy sieć neuronowa wykryła zwężenie mitochondriów. Użyliśmy też intensywnej mikroskopii w wysokiej rozdzielczości w celu monitorowania aktywności w dużych odstępach czasu, gromadząc obrazy w krótkich odstępach czasu, gdy zaczynało się zwężenie”, wyjaśnia Manley. Symulacje pomogły wykryć wzorce poprzez porównanie organizacji cytoplazmy bakteryjnej lub macierzy mitochondrialnej z modelami losowymi. W przypadku bakterii badacze stwierdzili, że sposób organizacji DNA ma bezpośredni wpływ na dynamikę replisomu(odnośnik otworzy się w nowym oknie) – wielobiałkowej maszyny replikującej DNA. W mitochondriach badacze odkryli geometryczne i molekularne wzorce podziału, które determinują różne losy organelli. Podział w środku prowadzi do proliferacji, podczas gdy podział w końcówce prowadzi do degradacji. Zespół odkrył również, w jaki sposób mitochondria rozprowadzają swoje DNA, poprzez przekształcenie normalnie rurkowatych organelli w kształt przypominający sznur pereł.
Korzyści związane z badaniami nad zdrowiem
Ze względu na to, że naukowcy coraz częściej wykorzystują inteligentną mikroskopię w wielu dziedzinach nauki, w tym w badaniach zakażeń, rezultaty projektu Piko mogą okazać się przełomowe. Ze względu na to, że mitochondria pełnią wiele istotnych funkcji w organizmie i są związane z wieloma stanami chorobowymi, naukowcy już teraz wykorzystują wyniki prac w celu badania wielu patologii, w tym chorób neurodegeneracyjnych i nowotworów. Jak dodaje badaczka: „Nadal nie wiemy, jak powstają niektóre z odkrytych przez nas wzorców i jak oddziałują one na siebie nawzajem. Chcę poszukać odpowiedzi na te pytania”, mówi Manley. „Chcemy również lepiej zrozumieć, w jaki sposób mitochondria zapewniają koordynację z pobliskimi organellami oraz między sobą, aby zdecydować, które funkcje mają wykonywać i kiedy”.
