Novovyvinutá metóda A-ESEM otvára úplne nové možnosti skúmania neživej, ale predovšetkým živej hmoty.
Kolorovaná snímka chromozómu v natívnom stave, získaná pomocou novovyvinutej pokročilej environmentálnej rastrovacej elektrónovej mikroskopii. Zdroj: ÚPT AV ČR
Ako prví na svete zobrazili celý chromozóm v prirodzenom stave. Vedcom z Ústavu prístrojovej techniky akadémie vied Českej republiky (AV ČR) v spolupráci s Ústavom experimentálnej botaniky AV ČR sa vďaka revolučnej metóde podarilo to, o čo sa pokúšali experti najprestížnejších laboratórií. Odhalenie povrchovej štruktúry chromozómu s rôznymi miniatúrnymi výbežkami a priestorovo usporiadanými slučkami vláken môže v budúcnosti ovplyvniť napríklad medicínu alebo poľnohospodárstvo. Nová zobrazovacia metóda je už teraz zásadným zlepšením pre vedeckú obec.
Po rokoch bádania a pokusov svetových laboratórií, ako zobraziť biologické vzorky v prirodzenom stave, prišli českí vedci s riešením. Novovyvinutá metóda A-ESEM otvára úplne nové možnosti skúmania neživej, ale predovšetkým živej hmoty.
Doteraz sa na zobrazenie priestorovej štruktúry biologických aj nebiologických materiálov s rozlíšením až na milióntiny milimetra používala rastrovacia elektrónová mikroskopia (SEM), pri ktorej sa vzorky pozorovali vo vysokom vákuu. Preto musia prejsť úpravami, ktoré však môžu poškodiť ich štruktúru. A to vylučuje ich pozorovanie v natívnom stave.
Kolorovaná snímka chromozómu v natívnom stave, získaná pomocou novovyvinutej pokročilej environmentálnej rastrovacej elektrónovej mikroskopie. Zdroj: ÚPT AV ČR
Ako auto, ktoré jazdí po vode a vie sa ponoriť
Metóda A-ESEM, pokročilá environmentálna rastrovacia elektrónová mikroskopia (A-ESEM; Advanced Environmental Scanning Electron Microscopy), umožňuje skúmať prakticky všetky živé vzorky: rastlinné a čiastočne aj živočíšne bunky v prirodzenom stave, malé živé živočíchy, huby, plesne, roztoče či baktérie a vedci sa chystajú aj na vírusy. Navyše je možné sledovať dynamické zmeny vzoriek vplyvom zmeny ich teploty, vysychania, chemickej reakcie a fyzikálneho pôsobenia.
„Klasický mikroskop je možné prirovnať k luxusnému automobilu, pričom environmentálny mikroskop je luxusným automobilom v ešte vyššej výbave, ktorý navyše vie jazdiť po vode a potápať sa ako ponorka, skrátka má všetky funkcie klasického mikroskopu a navyše mnoho ďalších,“ vysvetlil Vilém Neděla, vedúci brnianskeho tímu Environmentálnej elektrónovej mikroskopie Ústavu prístrojovej techniky AV ČR, ktorý metódu vyvinul.
„Využívame softvéry s umelou inteligenciou, ktoré poradia, ako nastaviť parametre, aby sa vzorka nezničila. Využili sme mnohé vlastné inovácie a vďaka ultracitlivým detektorom pozorujeme vzorky vo vysokom tlaku plynu a vo vlhkosti až sto percent, teda v environmentálne kompatibilných podmienkach – veľmi šetrne, neubližujeme im,“ opísal Vilém Neděla.
Univerzálna mikroskopia
A-ESEM je zo všetkých elektrónovo mikroskopických metód najuniverzálnejší, navyše ho možno použiť na prípravu a ďalšie fyzikálno-chemické analýzy vzoriek. Podľa Viléma Nedělu je dokonca rýchlejšia, lacnejšia a vhodnejšia pre štúdium dynamických zmien biologických vzoriek ako kryo-elektrónová mikroskopia, ocenená v roku 2017 Nobelovou cenou.
„Táto nová metóda rieši základný problém zdanlivej nezlučiteľnosti elektrónovej mikroskopie s prítomnosťou vody v kvapalnom skupenstve vo vzorke. Preto je vhodná na zobrazovanie živých organizmov a extrémne citlivých nanoštruktúr a nanopovrchov, všetko vo vysokom rozlíšení,“ povedal Vilém Neděla.
Prototyp unikátneho elektrónového mikroskopu na realizáciu metódy A-ESEM, Zdroj: ÚPT AV ČR
Iným sa to nepodarilo
Potenciál novej metódy overili vedci v spolupráci s olomouckým pracoviskom Ústavu experimentálnej botaniky AV ČR štúdiom chromozómov, teda mikroskopických štruktúr, v ktorých je uložená dedičná informácia.
Chromozómy v priebehu delenia buniek kondenzujú na mikroskopické valčekovité útvary. O odhalenie ich nanoštruktúry sa roky pokúšali vedecké tímy z celého sveta. Neuspeli, pretože všetky dostupné metódy vyžadovali drastické ošetrenie chemikáliami, sušenie, pokovovanie či mrazenie a nasledujúcu sublimáciu ľadu. Keďže povrchová vrstva chromozómu je extrémne citlivá, bola pri takom skúmaní buď poškodená, alebo úplne odstránená.
„Až novovyvinutá metóda A-ESEM odhalila, že povrch kondenzovaných chromozómov je posiaty početnými výbežkami, slučkami chromatínových vláken s priemernou veľkosťou okolo 30 nanometrov. Takéto priestorové usporiadanie povrchu chromozómov nebolo doteraz pozorované. Navyše je veľmi pravdepodobné, že sa nám podarilo zobraziť aj nepatrné, len 12 nanometrov veľké nukleozómy, na ktorých je ako na cievky navinutá molekula DNA,“ doplnil rastlinný genetik Jaroslav Doležel, vedúci olomouckého tímu Ústavu experimentálnej botaniky AV ČR.
Získané výsledky prispievajú k pochopeniu molekulárnej štruktúry mikroskopických útvarov – chromozómov –, ktoré prenášajú dedičnú informáciu z rodičov na potomstvo. Zatiaľ čo u človeka sú ich poruchy príčinou dedičných chorôb, u poľnohospodárskych plodín vedú k zníženej plodnosti a výnosu. Odhalenie povrchovej štruktúry chromozómov poskytuje nový pohľad na štruktúru dedičného aparátu, umožní identifikáciu porúch v jeho usporiadaní a prispeje k vývoju syntetických organizmov s umelo vytvorenou dedičnou informáciou.
Uplatnenie novej metódy
Dosiahnuteľné rozlíšenie A-ESEM je pri podmienkach štúdia chromozómov porovnateľné s rozlíšením klasického „vákuového“ rastrovacieho elektrónového mikroskopu (SEM), čo môže mať podľa Viléma Nedělu úplne zásadný vplyv na vývoj svetového trhu s elektrónovými mikroskopmi. „Možnosť spojenia A-ESEM s ďalšími zobrazovacími technikami vrátane svetelnej mikroskopie umožní vedcom zobrazovanie a funkčnú analýzu nielen chromozómov, ale aj ďalších biologických objektov v prirodzenom stave. To, aké praktické účinky bude prípadné široké nasadenie novej metódy A-ESEM mať, v tejto chvíli nie je možné ani odhadnúť. V Ústave prístrojovej techniky Akadémie vied SR sme presvedčení, že je to jeden z najdôležitejších objavov, ktoré boli urobené na pôde našej inštitúcie, a revolučným krokom vpred pre elektrónovú mikroskopiu ako takú,“ uzatvoril Vilém Neděla.
Výsledky mnohoročného výskumu brnianskych a olomouckých vedcov publikoval časopis Scientific Reports, ktorý je súčasťou nakladateľstva vydávajúceho jeden zo svetovo najprestížnejších vedeckých časopisov Nature.
Zdroj: AV ČR
(JM)
