Команда, включающая исследователей с химического факультета Токийского университета, успешно сняла видео одиночных молекул в движении со скоростью 1600 кадров в секунду. Это в 100 раз быстрее, чем показали предыдущие эксперименты подобного рода. Об этом сообщил Bulletin of the Chemical Society of Japan.

Команда объединила мощный электронный микроскоп с высокочувствительной камерой и передовой обработкой изображений. Этот метод может помочь во многих областях наноразмерных исследований.

Когда дело доходит до кино и видео, количество изображений, захваченных или отображаемых каждую секунду, называется кадрами в секунду. Для справки, фильмы, показанные в кинотеатрах, обычно демонстрировались со скоростью 24 кадра в секунду в течение более 100 лет. В последнее десятилетие специальные микроскопы и камеры позволяли исследователям фиксировать события атомного масштаба со скоростью около 16 кадров в секунду. Но новая техника увеличила это до потрясающих 1600 кадров в секунду.

«Ранее мы успешно фиксировали события атомного масштаба в режиме реального времени. Наш просвечивающий электронный микроскоп (TEM) дает невероятное пространственное разрешение, но чтобы хорошо видеть детали небольших физических и химических событий, вам также необходимо высокое временное разрешение. Вот почему мы применили метод захвата изображений, который намного быстрее, чем в предыдущих экспериментах. Поэтому мы можем замедлить воспроизведение событий и увидеть их совершенно по-новому». 

Профессор Токийского университета и руководитель проекта Эйичи Накамура 

Накамура и его команда использовали этот электронный микроскоп, поскольку он способен создавать высокое разрешение объектов размером менее 1 ангстрема или одной десятитысячной доли метра. Они прикрепили устройство визуализации, которое называется камерой прямого обнаружения электронов (DED). Эта камера очень чувствительна. Однако даже при использовании этого мощного микроскопа и чувствительной камеры для получения полезных изображений необходимо преодолеть одно огромное препятствие — шум.

"Молекулярный градусник" впервые измерил температуру в митохондриях клеток

Температура тела каждого здорового человека в течение дня колеблется в небольших пределах – от 35,5 до 37,5 градусов Цельсия. Исследователи всегда предполагали, что большинство физиологических процессов в организме происходит при этой температуре.

Известно, что тепло, необходимое для поддержания такой температуры в условиях более холодной окружающей среды, генерируется крошечными органоидами – митохондриями (в 1957 году их назвали "клеточными электростанциями"). И вот они-то как раз преподнесли специалистам сюрприз.

Международная команда во главе с французскими учёными из биомедицинского исследовательского центра INSERM и Национального центра научных исследований Франции (CNRS) выяснила, что температура митохондрий в их нормальном "рабочем" состоянии составляет 50 градусов Цельсия.

Работа велась совместно с известным экспертом по биохимии профессором Ником Лейном (Nick Lane) из Университетского колледжа Лондона (он провёл "независимое расследование" и опубликовал сопутствующую научную статью).

Учёные поясняют: чтобы обеспечить стабильную внутреннюю температуру, человеческий организм использует тепло, выделяемое на последней стадии потребления пищи. Речь идёт о сжигании питательных веществ в митохондриях, которых в каждой клетке насчитывается в среднем несколько десятков или сотен.

Эти органоиды образуют сложную сеть внутри клетки, а их содержимое изолировано от остальной части клетки двумя мембранами. В митохондриях протекает множество катализируемых химических реакций. Около 40% энергии, которая высвобождается этими "электростанциями клеток", захватывается в виде соединения, всем известного с уроков биологии. Это АТФ – аденозинтрифосфат, который участвует в управлении многими функциями организма – в их числе, например, сердечные сокращения, активность мозга, сокращение мышц.

Остальные 60% энергии, высвобождаемой митохондриями, уходят на термогенез – поддержание теплового баланса в теле.

Но, оказывается, для поддержания постоянной температуры тела на уровне 37,5 градусов Цельсия самим митохондриям приходится "нагреваться" ещё больше. По сути они действуют как термостатические радиаторы в плохо изолированном помещении, которые работают при гораздо более высокой температуре, чем окружающая среда.

Для экспериментов авторы выращивали в чашках Петри культуры клеток, почек и кожи человека. Их содержали при 38 градусах Цельсия.

Когда в функционирующие митохондрии клеток ввели "градусник", он показал повышение температуры в среднем на десять градусов по сравнению с окружающей (клеточной) средой. Причём температура митохондрий понижалась, если те инактивировались различными способами.

Авторы рассказывают, что им потребовалось два года, чтобы решиться опубликовать свои данные. Всё это время исследователи проверяли свои результаты, устраняя другие факторы, которые могли бы повлиять на флуоресценцию "градусника" – концентрацию клеток, уровни рН, напряжение клеточных мембран и так далее.

Ник Лэйн, который не участвовал в исследовании, но помог журналу PLOS Biology оценить эту работу, считает результаты захватывающими. Он также отметил, что учёным теперь предстоит провести ещё больше исследований, чтобы понять, почему раньше никто не заметил такой важный факт, какое значение имеет "концепция температуры" в микроскопических масштабах организма и как новые способы измерения температуры на клеточном уровне могут ещё пригодится биологам.

"Нам нужно знать гораздо больше о специфическом поведении Mito Thermo Yellow и его точном расположении в митохондрии, прежде чем мы сможем прийти к каким-либо твёрдым выводам о "температуре". Я сомневаюсь, что разницу в десять градусов следует воспринимать буквально, но её стоит воспринимать всерьёз", — добавляет Лейн.

Сами же авторы признают, что высокие температуры в микропространстве внутри митохондрий являются неожиданными, но подчёркивают, что это "откровение" должно привести к переоценке того, как функционируют митохондрии и какова их роль в клетках.

Значительная часть наших знаний о митохондриях, об активности их ферментов и проницаемости мембран, о последствиях генетических дефектов, которые ухудшают их активность, о влиянии токсинов или наркотиков, были установлены при 37,5 градусов Цельсия, то есть считать все эти результаты правильными уже было бы некорректно, говорят исследователи.

Научная статья учёных, как и статья Ника Лейна, была опубликована в издании PLOS Biology.

Ученые впервые смогли увидеть, как двигаются молекулы кислорода

Исследователи уже более 200 лет используют рентгеновские лучи для того, чтобы заглянуть внутрь материи и изучать более мелкие структуры –– от кристаллов до наночастиц. Теперь ученые из Университета Гете, используя рентгеновский лазер European XFEL, впервые смогли исследовать движение молекул, в том числе кислорода.Для того чтобы сделать рентгеновский снимок двухатомной молекулы, такой как кислород, необходим чрезвычайно […]

Исследователи уже более 200 лет используют рентгеновские лучи для того, чтобы заглянуть внутрь материи и изучать более мелкие структуры –– от кристаллов до наночастиц. Теперь ученые из Университета Гете, используя рентгеновский лазер European XFEL, впервые смогли исследовать движение молекул, в том числе кислорода.

Для того чтобы сделать рентгеновский снимок двухатомной молекулы, такой как кислород, необходим чрезвычайно мощный и сверхкороткий рентгеновский импульс. Именно для этих целей и использовали XFEL, который впервые запустили в 2017 году, это один из самых мощных источников рентгеновского излучения в мире.

Исследователи сначала забирают два связанных электрона. Это приводит к созданию двух положительно заряженных ионов, которые из-за электрического отталкивания резко разлетаются друг от друга. Именно в этот момент ученые и изучают процессы.

Эту методику назвали «электронно-дифракционная визуализация», физики Института ядерной физики потратили несколько лет на его разработку. Инженеры модифицировали соответствующий аппарат под требования европейского XFEL.

В будущем с помощью этих изображений можно будет изучать фотохимические реакции отдельных молекул в высоком разрешении. Кроме того, это первые результаты измерений, опубликованные с момента начала работы экспериментальной станции малых квантовых систем (SQS) на европейском XFEL в конце 2018 года.