Квантовый микроскоп сможет заглянуть внутрь живых клеток

Совместив квантово-механические причуды света с техникой под названием фотонная силовая микроскопия, ученые смогут детально исследовать структуры внутри живых клеток. Эта возможность даст шанс заглянуть в ранее невидимые зоны, исследовать ранее невидимые процессы и поможет биологам лучше понять, как работают клетки.

Фотонная силовая микроскопия похожа на атомную силовую микроскопию, где игла с острым концом используется для сканирования поверхности чего-то чрезвычайно малого, вроде ДНК. Только вместо иглы исследователи используют очень маленькие гранулы жира в 300 нанометров в диаметре, чтобы создать карту движения цитоплазмы внутри дрожжевых клеток с высокой точностью.

Чтобы увидеть, где находятся эти крошечные частицы жира, они подсвечивали их лазером. Здесь исследователи полагаются на то, что называется сжатым светом. Фотоны света по своей природе обладают шумом, и из-за этого частицы света лазерного луча не попадают в детектор одновременно. Есть небольшой разброс во времени их прибытия, что создает нечеткое изображение. Но сжатый свет использует квантово-механические приемы, чтобы снизить шум и очистить картинку от ряби.

«Основная идея в том, чтобы использовать этот очищенный от шума свет для обнаружения наночастиц внутри клетки», — говорит физик Варвик Боуэн из Университета Квинсленда в Австралии, соавтор документа, опубликованного 4 февраля в Physical Review X.
Причина всего этого в том, что преодоление фундаментального оптического предела всегда было головной болью для биологов. Дифракционный предел света накладывает ограничения на размер того, что можно увидеть с помощью микроскопа при заданной длине волны света. При видимых длинах волн этот предел составляет около 250 нанометров. Все, что меньше, увидеть невозможно. Беда в том, что многие структуры внутри клетки, в том числе органеллы, цитоскелет и отдельные белки, намного меньше этих пределов.

Ученые придумали разумный способ обойти дифракционный предел и увидеть вещи размером в 20 нанометров. Но новая квантовая техника завела их еще дальше. Вместо того, чтобы использовать свет, команда Боуэна прошлась наночастицами по поверхности клеточных структур, вроде как пальцем по неровной поверхности. Гранулы жира управлялись оптическим пинцетом, который по сути представляет собой наноразмерную версию тягового луча. В оптическом пинцете ученые создали лазерный луч с электромагнитным полем по всей длине. Поле усиливается к центру луча, позволяя захватывать крошечные объекты и удерживать их в этой точке.

Поскольку гранулы жира встречаются в природе, клетки не нужно дополнительно подготавливать, как в случае с атомно-силовой микроскопией, которая обычно убивает клетки. Это серьезное дело, поскольку фотонную силовую микроскопию можно использовать для визуализации процессов внутри живой клетки. Команда смогла отследить эти гранулы с разрешением в 10 нанометров.

Чтобы получить такое разрешение, исследователи должны были конкретно увидеть, где находятся жировые шарики. Поэтому им понадобился квантово-механический сжатый свет, поскольку он обеспечивает четкое качество в отличие от обычного нечеткого света. Сжатый свет опирается на принцип неопределенности Гейзенберга. На субатомном уровне есть определенные ограничения того, что можно узнать о частицах. Вы должны знать, что Гейзенберг доказал, что невозможно одновременно знать положение и скорость отдельной частицы одновременно. Есть определенная эквивалентность между интенсивностью фотонов и их фазой.

Свет можно рассматривать как волну и как частицу. Фаза волны — это точка, где начинается волна; на пике, либо где-то посередине. Размытость классического света появляется от того, что фотоны в этой фазе не выстроены в ряд. Некоторые прибывают в детектор, будучи в верхней части волны, другие позже, поскольку находятся в нижней части. Сжатый свет снижает интенсивность световых волн. Можно сказать, все фотоны стартуют одновременно.

Этот сжатый луч позволил исследователям очень четко выявить, где находятся их наночастицы. Хотя в рамках эксперимента было достигнуто разрешение в 10 нанометров, Боуэн считает, что можно добраться до нанометра и меньше.

Используя этот метод, команда смогла пронаблюдать за шариками жира и измерить вязкость цитоплазмы внутри дрожжевых клеток. В настоящее время они могут видеть движение наночастиц только в одном измерении. Если удастся отслеживать их движение в трех измерениях, можно будет четче увидеть конкретные клеточные структуры, вроде нитей актина или крошечных пор, которые открываются и закрываются на клеточных стенках, позволяя протекать питательным веществам.

«Эти поры в диаметре 10 нанометров и существуют на протяжении наносекунд, — говорит Боуэн. — Из-за этого их никогда не наблюдали, и никто не знает, как они работают».
Хотя может понадобиться некоторое время, прежде чем эти результаты найдут широкое применение в биологических экспериментах, другие исследователи крайне впечатлены.

«На мой взгляд, этот эксперимент замечателен, — говорит оптический физик Ивано Руа Беркера из Instituto Nazionale di Ricerca Metrologica в Италии, не принимавший участия в работе. — До сих пор сжатый свет использовался в основном в физических экспериментах, но впервые ему удалось сделать что-то действительно эффективное в области биологии».