На изображении, полученном с помощью микроскопии расширения, показан микроорганизм Lacrymaria, реснитчатая эукариотическая форма жизни, собранная из образцов окружающей среды в Токио. Зеленым цветом выделен тубулин – основной белковый компонент микротрубочек, филамента цитоскелета. Это лишь один из примеров того, как новые методы позволяют ученым заглянуть внутрь невидимого мира.
Планктон, невидимые двигатели жизни на Земле, играет критическую роль в поддержании планетарного баланса. Эти микроскопические организмы производят значительную часть кислорода нашей планеты и являются основой мирового океанического пищевого вебе. Их разнообразие поражает: десятки тысяч видов уже идентифицированы, и еще множество ждут своего открытия. Среди них особенно выделяются протисты – крошечные одноклеточные организмы, чье значение для эволюции трудно переоценить. Долгие годы ученые могли исследовать их лишь посредством генетических данных, поскольку существующие методы визуализации были бессильны перед задачей изучения их сложных внутренних структур.
Неожиданный прорыв произошел во время пандемии COVID-19, когда руководитель группы EMBL Гаутам Дей получил звонок по Zoom от своего коллеги Омайи Дудина, возглавлявшего тогда исследовательскую группу в EPFL. Дудин к тому моменту успешно адаптировал новый метод визуализации, позволяющий увидеть внутреннюю организацию Ichthyosporea – морского протиста, тесно связанного с животными и грибами. Это достижение преодолело давнее препятствие: плотные клеточные стенки вида.
Эта революционная техника, известная как микроскопия расширения, была изначально разработана в MIT, а затем усовершенствована до микроскопии расширения ультраструктур (U-ExM) Полем Гишаром и Виржини Хамель в Женевском университете. Их доработки сделали клеточные стенки протистов проницаемыми, впервые позволив ученым детально рассмотреть их внутреннюю архитектуру.
Вдохновленные этим успехом, Дудин, Дей, Гишар и Хамель инициировали долгосрочное сотрудничество. Тремя годами позже их партнерство привело к созданию беспрецедентного объема знаний о сотнях видов протистов и заложило основу для «планетарного атласа» планктона.
Экспедиция TREC (Traversing European Coastlines), возглавляемая EMBL, предоставила идеальную возможность для дальнейшего исследования этих морских организмов. Недавно опубликованные в журнале Cell, результаты работы команды предлагают глубокое понимание клеточных структур более чем двухсот видов планктона, в особенности эукариот – организмов, чьи клетки содержат ядро, окруженное мембраной. Это исследование знаменует собой начало проекта PlanExM в рамках TREC, целью которого является картографирование скрытого структурного разнообразия планктона с использованием микроскопии расширения.
В Роскофе, Франция – одном из первых мест отбора проб экспедиции TREC – Биологическая станция располагает одной из самых полных коллекций морских микроорганизмов в Европе. Ожидая всего несколько десятков образцов, команда обратилась к менеджеру Яну Проберту за материалом для тестирования своей методики. Вместо этого они получили доступ к более чем двумстам видам. «Мы провели три дня и ночи, просто фиксируя эти образцы. Это было настоящим сокровищем, которое мы не могли упустить», – поделился Феликс Микус, соавтор исследования, завершивший докторскую диссертацию в группе Дея и ныне работающий постдоком в лаборатории Дудина в Женевском университете.
Микроскопия расширения, отмечающая в этом году свое десятилетие, физически увеличивает биологические образцы. Образец – содержащий клетки, ткани или одноклеточные организмы – погружается в прозрачный гель, который поглощает воду и расширяется. Примечательно, что внутренние структуры клетки остаются неповрежденными и растягиваются пропорционально, позволяя исследователям увеличить образец до шестнадцати раз без использования мощных линз. «В сочетании с обычными методами световой микроскопии микроскопия расширения позволяет ученым обойти стандартные волновые барьеры, ограничивающие разрешение мелких структур при использовании световой микроскопии», – объяснили Гишар и Хамель.
Используя образцы из Роскофа и второй коллекции из Бильбао, Испания, команда провела одно из самых всесторонних исследований цитоскелета – сети филаментов, которая поддерживает и организует эукариотические клетки. Их внимание было сфокусировано на микротрубочках – полых нитях, помогающих клеткам поддерживать форму, делиться и двигаться, – а также на центринах – белках, участвующих в организации микротрубочек. «Мы смогли картировать особенности организации микротрубочек и центринов в различных эукариотических группах», – уточнила Хирал Шах, постдокторант EIPOD в группах Дея и Шваба в EMBL и соавтор исследования. «Масштаб исследования, охватывающий множество видов, охарактеризованных в каждой группе, открывает возможность для создания эволюционных прогнозов. Например, динофлагелляты, одна из самых разнообразных групп, встречающихся в океанах по всей планете, хорошо представлены в нашем исследовании. Мы смогли картировать присутствие тубулиновых и центриновых структур, связанных с клеточной корой или жгутиками этих видов».
«U-ExM преобразует наши подходы к исследованию ультраструктуры протистов», – заявил соавтор Армандо Рубио Рамос, постдокторант Женевского университета. «Объединяя эту технику с высокопроизводительной визуализацией и сравнительным анализом, мы можем начать расшифровывать, как клеточная архитектура диверсифицировалась в ходе эволюции. Это мост между молекулярными данными и физической организацией жизни на микроскопическом уровне». Полученные результаты не только проливают свет на организацию эукариотических клеток, но и предлагают ключи к пониманию эволюционного развития их внутренних структур. Исследование подчеркивает мощь микроскопии расширения как инструмента для изучения даже сложных образцов окружающей среды, собранных непосредственно из океана.
«Наши приключения с микроскопией расширения только начинаются», – подытожил Дей. «Возможно, это первая высокоразрешающая микроскопическая техника, способная соответствовать масштабу и амбициям крупных геномных проектов по биоразнообразию, позволяя нам в ближайшем будущем связывать новые мультиомиксные данные с клеточной физиологией в масштабах всего древа жизни». С присоединением Томаса Ричардса из Оксфордского университета к сотрудничеству Дей и Дудин получили грант Фонда Мура в размере 2 миллионов швейцарских франков для продолжения и расширения своих исследований. «Следующий шаг – это выборочное углубление в некоторые виды из этой обширной коллекции для ответа на конкретные вопросы, такие как понимание эволюции митоза и многоклеточности, а также фенотипического разнообразия, лежащего в основе крупных эволюционных переходов», – добавил Дудин.
