Ученые программно улучшают разрешение сканирующей атомно-силовой микроскопии
Снимок, полученный при помощи АСМ (слева) и рентгеновский снимок (справа)Ученые медицинского колледжа при Корнеллском университете разработали вычислительную технику, которая повышает разрешение атомно-силового микроскопа (АСМ), предназначенного для определения рельефа поверхности разрешением вплоть до атомарного. Новый метод позволяет получить изображения белков и других биологических структур в нормальных физиологических условиях.
Для изучения белков и других биомолекул с высоким разрешением исследователи долгое время полагались на два метода — рентгеноструктурный анализ и криоэлектронную микроскопию. Хотя с их помощью можно рассмотреть молекулярные структуры вплоть до отдельных атомов, для этого молекулы должны либо быть в твердой кристаллической форме, либо охлаждены до сверхнизких температур, что, возможно, меняет их нормальную структуру. АСМ позволяет анализировать молекулы без необходимости кристаллизации или заморозки, но полученные изображения получаются размытыми и с низким разрешением. Биологические молекулы при этом имеют множество мелких частей, которые шевелятся, еще больше размывая изображения, полученные с помощью АСМ.
Чтобы решить эту проблему, ученые адаптировали концепцию, которая ранее применялась для повышения разрешения световой микроскопии. Четкость изображения светового микроскопа можно повысить, если с его помощью наблюдать две молекулы, флуоресцирующие в разное время. Если расположенные рядом молекулы испускают световые сигналы одновременно, световой микроскоп не может различить их. Однако если заставить соседние молекулы флуоресцировать в разное время, микроскоп может анализировать световые сигналы от каждой молекулы и точно определить их местоположение.
При помощи этого метода ученым удалось зафиксировать движения отдельных молекул в разные моменты времени и, скомбинировав их, получить картинку в высоком разрешении. Особенность метода заключается в компьютерном алгоритме, который обрабатывает снимки молекул в разное время. Авторы работы подчеркивают, что с его помощью можно обработать полученные ранее изображения и повысить их четкость.
Помимо возможности изучать биологические молекулы в физиологически естественных условиях, новый метод имеет и другие преимущества. Например, рентгеновская кристаллография и криоэлектронная микроскопия полагаются на усреднение данных большого количества молекул, но АСМ может генерировать изображения отдельных молекул.
«Вместо того, чтобы проводить наблюдения сотен молекул, мы наблюдаем одну молекулу сто раз и создаем изображение с высоким разрешением», — поясняют исследователи.
