Tým z Česka vyvinul novou metodu pro výzkum molekul biologických vzorků

Tým z Česka vyvinul metodu, která umí poskládat třírozměrný hologram několika molekul biologického vzorku. Patentovaný postup ovládnutí šíření světla a jeho využití v novém optickém mikroskopu vědci popsali ve studii, kterou publikoval prestižní časopis Nature Communications. Vědci k práci se vzorkem využili vysokorychlostní mikroskop. Akademie věd ČR (AV) o studii informovala v tiskové zprávě. Na výzkumu, jehož výsledkem je rozpohybovaný hologram v počítači, spolupracovali vědci z Ústavu fotoniky a elektroniky AV (ÚFE) a Biotechnologického ústavu AV.

"Tato práce navazuje na náš dlouhodobý výzkum velmi citlivých mikroskopických metod, které nám umožňují zobrazovat v optickém mikroskopu detaily biologické hmoty na úrovni jednotlivých molekul a sledovat jejich pohyb a funkci," napsal vědec Marek Piliarik. Výzkumník vede na ÚFE skupinu Nano-optika. Nyní podle Piliarika tým dokázal zachytit nejen velmi malý zlomek světla, který se na dané biologické struktuře rozptýlí, ale také velmi přesně určit takzvané fázové zpoždění, se kterým tento zlomek světla dorazí k detektoru. "Díky tomu dokážeme přesně změřit, nejen kde se pozorovaná molekula nachází v ploše pozorovaného vzorku, ale i v jaké hloubce se molekula ve vzorku nachází. A protože to dokážeme změřit velmi rychle, získáváme velmi přesnou, na nanometr přesnou, třírozměrnou dráhu její činnosti," popsal Piliarik.

Jednotlivé molekuly, pracující třeba na dělící se buňce, se zpravidla nepohybují přesně v rovině zaostření mikroskopu, a pozorování takových procesů tedy byla dlouho pro vědce výzva. Čím menší detaily výzkumníci pozorují, tím rychleji se vzorek pod mikroskopem mění. Rychlost, kterou bylo nutné zaostřovat na pohybující se molekuly, při práci podle AV více než stonásobně převyšovala možnosti nejlepších modulátorů světla. A právě toto omezení vědci z Česka vyřešili novou technologií prostorového modulátoru světla.

Technologii řídí rychlý zápis teplotního profilu do vrstvené plochy modulátoru. Teplotním efektům, spojeným s nežádoucími projevy, například mechanickou nestabilitou či pomalou odezvou, lze podle vědců předejít uzavřením teplotních změn do mikroskopických struktur a zajištěním dostatečného odvodu tepla. Vědec Hadrien Robert a jeho kolegové tak nakonec předvedli novou generaci prostorového modulátoru světla, který pracuje s odezvou pouhých 70 mikrosekund. A ukázali, že je možné ho vyžít k sestavení třírozměrného obrazu biologických struktur dosahujících pouhých desítek nanometrů.

Na metodě pro přesnější zprostředkování polohy jednotlivých molekul měl podle Piliarika velkou zásluhu právě Robert. Piliarik uvedl, že nová metoda může najít uplatnění napříč obory od vědeckých mikroskopů, teleskopů až po spotřební elektroniku.

Využití v optických zobrazovacích zařízení, hlavně při pozorování dynamických procesů a funkcí živých soustav, podle odborníků dovoluje jak rychlost odezvy a absence nežádoucího rozptylu, tak i stabilita metody. S kolegy z Biotechnologického ústavu proto Piliarikův tým pomocí této technologie popsal činnost proteinu důležitého pro dělení buněk.

"Mikrotubuly patří k nejdynamičtějším součástem buněk, které zprostředkovávají jejich pohyb i dělení. V těchto procesech hraje klíčovou roli protein, značený jako Ase1, který proplétá mikrotubuly mezi sebou. Jeho neustálý rychlý pohyb nás však vždy fascinoval a bylo velmi obtížné jej detailně popsat a pochopit," popsal Zdeněk Lánský, který vede skupinu zaměřenou na výzkum strukturních proteinů a jejich komplexů. Nová studie tak osvětlila, jak protein Ase1 zdolává třírozměrné sítě mikrotubulů. V rámci další spolupráce pak oba týmy chtějí popsat tuto buněčnou mechaniku v ještě větším detailu.

Tým Nano-optika byl založen v roce 2016. Od té doby se podle Piliarika jeho členové soustředí na experimenty s extrémní citlivostí, které by ještě před 10 lety "zněly jako z říše snů". "Nápadem zpracovat komplexní třírozměrný hologram biomolekulárních vzorků se zabýváme od roku 2019 a provozní omezení laboratorních prací v posledním roce nám pomohla vyvinout i nové metody zpracování velkého množství video záznamů z našich měření," dodal vědec.

Ohledně dalších plánů Piliarik napsal, že ho a jeho kolegy dlouhodobě fascinuje "molekulární mašinerie", která udržuje život v běhu a zprostředkovává základní pochody jako dělení buněk, pohyb nebo buněčnou smrt.

Tým také podle jeho slov usiluje o převody nově vyvinutých technologií na špičková pracoviště ve světě. "Nadále nás ale nejvíc baví dělat experimenty, které by dnes nikoho nenapadlo, že jsou udělatelné, a přesně na těch pracujeme," uzavřel vědec.