Česko má další revoluční objev, změní světový trh s elektronovými mikroskopy

Vědcům z Ústavu přístrojové techniky AV ČR ve spolupráci s Ústavem experimentální botaniky AV ČR se díky revoluční metodě podařilo to, o co se neúspěšně pokoušeli experti nejprestižnějších světových laboratoří. Jako první na světě zobrazili celý chromozom v přirozeném stavu.

Odhalení povrchové struktury  chromozomu s různými miniaturními výběžky a prostorově uspořádanými smyčkami vláken může v budoucnu ovlivnit například medicínu nebo zemědělství. Nová zobrazovací metoda je už teď zásadním vylepšením pro vědeckou obec. 

Po letech bádání a pokusů světových laboratoří, jak zobrazit biologické vzorky v přirozeném stavu,  přišli čeští vědci s řešením. Nově vyvinutá metoda A-ESEM otevírá zcela nové možnosti zkoumání  neživé, ale především živé hmoty.  

Dosud se pro zobrazení prostorové struktury biologických i nebiologických materiálů s rozlišením až  miliontiny milimetru používala rastrovací elektronová mikroskopie (SEM), při které se vzorky pozorují  ve vysokém vakuu. Proto musejí projít úpravami, jež ale mohou poškodit jejich strukturu. A to vylučuje  jejich pozorování v nativním stavu.  

Metoda A-ESEM, pokročilá environmentální rastrovací elektronová mikroskopie (A-ESEM; Advanced  Environmental Scanning Electron Microscopy), umožňuje zkoumat prakticky všechny živé vzorky:  rostlinné a částečně i živočišné buňky v přirozeném stavu, malé živé živočichy, houby, plísně, roztoče, proteiny, bakterie, a vědci se chystají i na viry. Navíc lze sledovat dynamické změny vzorků v důsledku  změny jejich teploty, vysychání, chemické reakce, fyzikálního působení. 

Jako auto, které jezdí po vodě a umí se ponořit 

„Klasický mikroskop lze přirovnat k luxusnímu automobilu, přičemž environmentální mikroskop je  luxusním automobilem v ještě vyšší výbavě, který navíc umí jezdit po vodě a potápět se jako ponorka,  zkrátka má všechny funkce klasického mikroskopu, a navíc řadu dalších,“ vysvětluje Vilém Neděla, vedoucí brněnského týmu Environmentální elektronové mikroskopie Ústavu přístrojové techniky AV  ČR, který metodu vyvinul. 

Nová metoda řeší základní problém zdánlivé neslučitelnosti elektronové mikroskopie  s přítomností vody v kapalném skupenství ve vzorku. 

„Využíváme softwary s umělou inteligencí, které poradí, jak nastavit parametry, aby se vzorek nezničil.  Využili jsme mnoha vlastních inovací a díky ultracitlivým detektorům pozorujeme vzorky ve vysokém  tlaku plynu a ve vlhkosti až 100 %, tedy v enviromentálně kompatibilních podmínkách – velice šetrně,  neubližujeme jim,“ popisuje Vilém Neděla. 

A-ESEM je ze všech elektronově mikroskopických metod nejvíce univerzální, navíc ji lze použít  k přípravě a dalším fyzikálně-chemickým analýzám vzorků. Podle Viléma Neděly je dokonce rychlejší,  levnější a vhodnější pro studium dynamických změn biologických vzorků než kryo-elektronová  mikroskopie, oceněná v roce 2017 Nobelovou cenou.

Důležitý objev pro zdraví lidí i rostlin 

„Tato nová metoda řeší základní problém  zdánlivé neslučitelnosti elektronové mikroskopie s přítomností vody v kapalném skupenství ve vzorku. Proto je vhodná pro zobrazování živých organismů a extrémně citlivých nanostruktur a nanopovrchů vše ve vysokém rozlišení,“ říká Vilém Neděla. 

Potenciál nové metody ověřili vědci ve spolupráci s olomouckým pracovištěm Ústavu experimentální  botaniky AV ČR studiem chromozomů, tedy mikroskopických struktur, ve kterých je uložena dědičná  informace.  

Chromozomy v průběhu dělení buněk kondenzují v mikroskopické válečkovité útvary. O odhalení jejich nanostruktury se léta pokoušely vědecké týmy z celého světa. Neuspěly, protože všechny dostupné metody vyžadovaly drastické ošetření chemikáliemi, sušení, pokovování či mrazení a následnou sublimaci ledu. A protože povrchová vrstva chromozomu je extrémně citlivá, byla při takovém zkoumání buď poškozena, nebo zcela odstraněna. 

„Teprve nově vyvinutá metoda A-ESEM odhalila, že povrch kondenzovaných chromozomů je posetý  četnými výběžky, smyčkami chromatinových vláken o průměrné velikosti kolem 30 nm. Takové  prostorové uspořádání povrchu chromozomů nebylo dosud pozorováno. Navíc je velmi pravděpodobné,  že se nám podařilo zobrazit i nepatrné, jen 12 nm velké nukleozomy, na kterých je jako na cívky  navinuta molekula DNA,“ doplňuje rostlinný genetik Jaroslav Doležel, vedoucí olomouckého týmu  Ústavu experimentální botaniky AV ČR.  

Získané výsledky přispívají k pochopení molekulární struktury mikroskopických útvarů (chromozomů),  které přenášejí dědičnou informaci z rodičů na potomstvo. Zatímco u člověka jsou jejich poruchy  příčinou dědičných chorob, u zemědělských plodin vedou ke snížené plodnosti a výnosu. Odhalení  povrchové struktury chromozomů poskytuje nový pohled na strukturu dědičného aparátu, umožní  identifikaci poruch v jeho uspořádání a přispěje k vývoji syntetických organismů s uměle vytvořenou  dědičnou informací.  

Uplatnění nové metody 

Možnost spojení A-ESEM s dalšími zobrazovacími technikami umožní vědcům zobrazování a funkční analýzu i dalších biologických objektů v přirozeném stavu. Dosažitelné rozlišení A-ESEM je při podmínkách studia chromozomů srovnatelné s rozlišením  klasického „vakuového“ rastrovacího elektronového mikroskopu (SEM), což může mít podle Viléma  Neděly zcela zásadní vliv na vývoj světového trhu s elektronovými mikroskopy.

„Možnost spojení  A-ESEM s dalšími zobrazovacími technikami, včetně světelné mikroskopie, umožní vědcům zobrazování  a funkční analýzu nejen chromozomů, ale i dalších biologických objektů v přirozeném stavu. Jaké  praktické dopady bude případné široké nasazení nové metody A-ESEM mít, v tuto chvíli není možné ani  odhadnout. V Ústavu přístrojové techniky Akademie věd ČR jsme každopádně přesvědčeni, že jde  o jeden z nejdůležitějších objevů, které byly učiněny na půdě naší instituce, a revolučním krokem vpřed  pro elektronovou mikroskopii jako takovou,“ uzavírá Vilém Neděla.

Výsledky mnohaletého výzkumu brněnských a olomouckých vědců publikoval časopis Scientific  Reports, který je součástí nakladatelství vydávajícího jeden ze světově nejprestižnějších vědeckých  časopisů Nature. 

zdroj: tisková zpráva