До сих пор, если ученые хотели изучить клетки крови, водоросли или бактерии под микроскопом, им приходилось помещать эти клетки на подложку, например, на предметное стекло. Физики из Билефельдского и Франкфуртского университетов разработали метод захвата биологических клеток лазерным лучом, что позволяет им изучать их с очень высоким разрешением. В научно-фантастических книгах и фильмах этот принцип известен как «притягивающий луч». Используя эту процедуру, физики получили изображения ДНК отдельных бактерий со сверхвысоким разрешением. Физик Робин Дикманн и его коллеги публикуют эту новую разработку в последнем выпуске исследовательского журнала Nature Communications.
Одна из проблем, с которой сталкиваются исследователи, желающие исследовать биологические клетки под микроскопом, заключается в том, что любая предварительная обработка изменит клетки. Многие бактерии предпочитают свободно плавать в растворе. Клетки крови похожи: они постоянно находятся в быстром движении и не остаются на поверхностях. Действительно, если они прилипают к поверхности, это меняет их структуру, и они умирают.
'Наш новый метод позволяет нам брать клетки, которые не могут быть закреплены на поверхности, а затем использовать оптическую ловушку для их изучения с очень высоким разрешением. Клетки удерживаются на месте своего рода оптическим притягивающим лучом. Принцип, лежащий в основе этого лазерного луча, аналогичен концепции, которую можно найти в телесериале «Звездный путь», - говорит профессор доктор Томас Хузер. Он возглавляет исследовательскую группу биомолекулярной фотоники на физическом факультете. «Особенность в том, что образцы не только иммобилизуются без подложки, но и могут поворачиваться и вращаться. Лазерный луч действует как вытянутая рука для внесения микроскопически малых корректировок».
Физики из Билефельда усовершенствовали процедуру для использования во флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения. Это считается ключевой технологией в биологии и биомедицине, поскольку она обеспечивает первый способ изучения биологических процессов в живых клетках в больших масштабах, что ранее было возможно только с помощью электронной микроскопии. Чтобы получить изображения с помощью таких микроскопов, исследователи добавляют флуоресцентные зонды к клеткам, которые они хотят изучить, и они затем загораются, когда на них направляется лазерный луч. Затем можно использовать датчик для регистрации этого флуоресцентного излучения, чтобы исследователи могли даже получать трехмерные изображения клеток.
В своем новом методе исследователи из Билефельда используют второй лазерный луч в качестве оптической ловушки, так что клетки плавают под микроскопом и могут перемещаться по желанию. «Лазерный луч очень интенсивен, но невидим невооруженным глазом, потому что он использует инфракрасный свет», - говорит Робин Дикманн, член Исследовательской группы биомолекулярной фотоники.«Когда этот лазерный луч направляется на клетку, внутри клетки возникают силы, которые удерживают ее в фокусе луча», - говорит Дикманн. Используя свой новый метод, физикам из Билефельда удалось удерживать и вращать бактериальные клетки таким образом, что они могут получать изображения клеток с нескольких сторон. Благодаря вращению исследователи могут изучать трехмерную структуру ДНК с разрешением около 0,0001 миллиметра.
Профессор Хузер и его команда хотят еще больше изменить метод, чтобы он позволил им наблюдать за взаимодействием между живыми клетками. Тогда они смогут изучать, например, как микробы проникают в клетки.