Jako první na světě zobrazili čeští vědci celý chromozom v přirozeném stavu. Odhalení povrchové struktury chromozomu s různými miniaturními výběžky a prostorově uspořádanými smyčkami vláken může podle autorů výzkumu v budoucnosti ovlivnit například medicínu nebo zemědělství. „Nová zobrazovací metoda je už teď zásadním vylepšením pro vědeckou obec,“ uvedli.
Zobrazit biologické vzorky v přirozeném stavu je Mekkou přírodních věd. Čeští vědci teď přišli s řešením v podobě nově vyvinuté metody, kterou pojmenovali A-ESEM. Úspěch při zobrazení chromozomu je podle nich důkazem, že tato metoda otevírá zcela nové možnosti zkoumání neživé, ale především živé hmoty.
Pro zobrazení prostorové struktury materiálů s rozlišením až miliontiny milimetru se dosud používala hlavně rastrovací elektronová mikroskopie, při které se vzorky pozorují ve vysokém vakuu. Aby to vydržely, musí se speciálně upravit, což ale zase může poškodit jejich strukturu. A to vylučuje jejich pozorování v nativním stavu.
Jako auto, které jezdí po vodě a umí se ponořit
Metoda A-ESEM neboli pokročilá environmentální rastrovací elektronová mikroskopie ale 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 mohou sledovat dynamické proměny vzorků v důsledku změny jejich teploty, vysychání, chemické reakce, fyzikálního působení.
„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.
„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 sto procent, tedy v enviromentálně kompatibilních podmínkách – velice šetrně, neubližujeme jim,“ popisuje Vilém Neděla.
Nová metoda je podle něj ze všech elektronově mikroskopických metod nejuniverzálnější, navíc ji lze použít k přípravě a dalším fyzikálně-chemickým analýzám vzorků. A je dokonce rychlejší, levnější a vhodnější pro studium změn biologických vzorků než kryo-elektronová mikroskopie, oceněná v roce 2017 Nobelovou cenou.
„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,“ dodává Neděla.
Metoda úspěšně prošla testem
Možnosti nové metody ověřili její autoři ve spolupráci s olomouckým pracovištěm Ústavu experimentální botaniky AV ČR. Pokusili se pomocí ní prostudovat chromozomy, tedy mikroskopické struktury, ve kterých je uložena dědičná informace.
Chromozomy se v průběhu dělení buněk mění v mikroskopické válečkovité útvary. O odhalení jejich nanostruktury se léta pokoušely vědecké týmy z celého světa – neúspěšně.
Všechny dostupné metody totiž vyžadovaly drastické ošetření vzorků chemikáliemi, sušení, pokovování či mrazení a následnou sublimaci ledu. A protože povrchová vrstva chromozomu je extrémně citlivá, byla při takovém zkoumání buď poškozena, nebo se úplně rozpadla a zmizela.
„Teprve nově vyvinutá metoda A-ESEM odhalila, že povrch kondenzovaných chromozomů je posetý četnými výběžky, smyčkami chromatinových vláken o průměrné velikosti kolem třiceti nanometrů. Takové prostorové uspořádání povrchu chromozomů nebylo dosud pozorováno. Navíc je velmi pravděpodobné, že se nám podařilo zobrazit i nepatrné, jen dvanáct nanometrů velké nukleozomy, na kterých je jako na cívky navinuta molekula DNA,“ popisuje rostlinný genetik Jaroslav Doležel, vedoucí olomouckého týmu Ústavu experimentální botaniky AV ČR.
Získané výsledky přispívají k pochopení molekulární struktury 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 podle autorů studie zcela nový pohled na strukturu dědičného aparátu, umožní identifikaci poruch v jeho uspořádání a přispěje k vývoji syntetických organismů s uměle vytvořenou dědičnou informací.
