Biološke strukture se mogu vizualizovati počevši od nivoa celog organizma na naniže, ili počevši od nivoa pojedinačnih atoma, krećući se ka složenijim strukturama.
Međutim, postoji jaz u rezoluciji između najmanjih struktura ćelije, kao što je citoskelet koji podržava oblik ćelije, i njenih najvećih struktura, kao što su ribozomi koji prave proteine u ćelijama.
Po analogiji sa Gugl mapama, dok su naučnici mogli da vide čitave gradove i pojedinačne kuće, nisu imali alate da vide kako su se kuće spojile da bi sačinjavale kvartove.
Videti ove detalje na nivou susedstva je od suštinskog značaja za razumevanje kako pojedinačne komponente rade zajedno u okruženju ćelije.
Novi alati stalno premošćuju ovaj jaz. I tekući razvoj jedne posebne tehnike, krio-elektronske tomografije, ili krio-ET, ima potencijal da produbi kako istraživači proučavaju i razumeju kako ćelije funkcionišu u zdravlju i bolesti.
Kao bivši glavni urednik časopisa Science i kao istraživač koji je decenijama proučavao teške strukture proteina koje je teško vizualizovati, bio sam svedok zapanjujućeg napretka u razvoju alata koji mogu detaljno da odrede biološke strukture.
Baš kao što postaje lakše razumeti kako komplikovani sistemi funkcionišu kada znate kako izgledaju, razumevanje kako se biološke strukture uklapaju u ćeliju je ključno za razumevanje kako organizmi funkcionišu.
U 17. veku svetlosna mikroskopija je prvi put otkrila postojanje ćelija. U 20. veku, elektronska mikroskopija je ponudila još više detalja, otkrivajući složene strukture unutar ćelija, uključujući organele poput endoplazmatskog retikuluma, složene mreže membrana koje igraju ključnu ulogu u sintezi i transportu proteina.
Od 1940-ih do 1960-ih, biohemičari su radili na razdvajanju ćelija u njihove molekularne komponente i naučili kako da odrede 3D strukture proteina i drugih makromolekula na ili blizu atomske rezolucije. Ovo je prvo urađeno pomoću rendgenske kristalografije da bi se vizualizovala struktura mioglobina, proteina koji snabdeva mišiće kiseonikom.
Tokom protekle decenije, tehnike zasnovane na nuklearnoj magnetnoj rezonanciji, koja proizvodi slike zasnovane na tome kako atomi interaguju u magnetnom polju, i krio-elektronska mikroskopija su brzo povećale broj i složenost struktura koje naučnici mogu da vizuelizuju.
Krio-elektronska mikroskopija, ili krio-EM, koristi kameru da otkrije kako se snop elektrona odbija dok elektroni prolaze kroz uzorak da bi se vizuelizovale strukture na molekularnom nivou.
Uzorci se brzo zamrzavaju da bi se zaštitili od oštećenja zračenja. Detaljni modeli strukture od interesa se prave uzimanjem više slika pojedinačnih molekula i njihovim usrednjavanjem u 3D strukturu.
Crio-ET deli slične komponente sa crio-EM, ali koristi različite metode. Pošto je većina ćelija previše debela da bi se mogla jasno prikazati, oblast od interesa u ćeliji se prvo razređuje korišćenjem jonskog snopa.
Uzorak se zatim naginje kako bi se napravio više slika pod različitim uglovima, analogno CT skeniranju dela tela – iako je u ovom slučaju nagnut sam sistem za snimanje, a ne pacijent. Ove slike zatim kombinuje računar da bi se proizvela 3D slika dela ćelije.
Rezolucija ove slike je dovoljno visoka da istraživači – ili kompjuterski programi – mogu da identifikuju pojedinačne komponente različitih struktura u ćeliji. Istraživači su koristili ovaj pristup, na primer, da pokažu kako se proteini kreću i razgrađuju unutar ćelije algi.
Mnogi koraci koje su istraživači nekada morali da urade ručno kako bi utvrdili strukture ćelija postaju automatizovani, omogućavajući naučnicima da identifikuju nove strukture znatno većim brzinama.
Na primer, kombinovanje krio-EM sa programima veštačke inteligencije kao što je AlphaFold može olakšati interpretaciju slike predviđanjem proteinskih struktura koje još nisu okarakterisane.
Kako se metode snimanja i tokovi rada budu poboljšavali, istraživači će moći da se pozabave nekim ključnim pitanjima u ćelijskoj biologiji pomoću različitih strategija.
Prvi korak je odlučiti koje ćelije i koje regione unutar tih ćelija proučavati. Druga tehnika vizuelizacije koja se zove korelirana svetlosna i elektronska mikroskopija, ili CLEM, koristi fluorescentne oznake kako bi pomogla u lociranju regiona u kojima se odvijaju zanimljivi procesi u živim ćelijama.
Poređenje genetske razlike između ćelija može pružiti dodatni uvid. Naučnici mogu da pogledaju ćelije koje nisu u stanju da obavljaju određene funkcije i vide kako se to odražava na njihovu strukturu. Ovaj pristup takođe može pomoći istraživačima da prouče kako ćelije međusobno komuniciraju.
Crio-ET će verovatno još neko vreme ostati specijalizovani alat. Ali dalji tehnološki razvoj i sve veća dostupnost omogućiće naučnoj zajednici da ispita vezu između ćelijske strukture i funkcije na prethodno nepristupačnim nivoima detalja.
Očekujem da vidim nove teorije o tome kako razumemo ćelije, krećući se od neorganizovanih vreća molekula do složeno organizovanih i dinamičnih sistema.
