VĚDA A VÝZKUM
REVOLUČNÍ METODA ČESKÝCH VĚDCŮ ODHALILA STRUKTURU CHROMOZOMU
Obr. 2: Kolorované snímky chromozomu v nativním stavu získané pomocí nově vyvinuté pokročilé environmentální rastrovací elektronové mikroskopie.
Brno, 18. července 2024 – Jako první na světě zobrazili celý chromozom v přirozeném stavu. Vědcům z Ústavu přístrojové techniky AV ČR ve spolupráci s Ústavem experimentální botaniky AV ČR se díky revoluční metodě podařilo to, o co se pokoušeli experti nejprestižnějších laboratoří. Odhalení povrchové struktury chromozomu s různými miniaturními výběžky a prostorově uspořádanými smyčkami vláken může v bu- doucnu ovlivnit například medicínu nebo ze- mědělství. Nová zobrazovací metoda je už teď zásadním vylepšením pro vědeckou obec. Po letech bádání a pokusů světových labora- toří, jak zobrazit biologické vzorky v přiroze- ném stavu, přišli čeští vědci s řešením. Nově vyvinutá metoda A-ESEM otevírá zcela nové možnosti zkoumání neživé, ale především živé hmoty. Obr. 1: Prototyp unikátního elektronového mi- kroskopu pro realizaci metody A-ESEM.
„ 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 mikrosko- pických metod nejvíce univerzální, navíc ji lze použít k přípravě a dalším fyzikálně-chemic- kým analýzám vzorků. Podle Viléma Neděly je dokonce rychlejší, levnější a vhodnější pro studium dynamických změn biologických vzorků než kryo-elektronová mikroskopie, oce- něná v roce 2017 Nobelovou cenou. „ Tato nová me- toda řeší základní problém zdánlivé neslučitel- nosti 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. Důležitý objev pro zdraví lidí i rostlin Potenciál nové metody ověřili vědci ve spo- lupráci s olomouckým pracovištěm Ústavu experimentální botaniky AV ČR studiem chromozomů, tedy mikroskopických struktur, ve kterých je uložena dědičná informace. Chromozomy v průběhu dělení buněk kon- denzují v mikroskopické válečkovité útvary. O odhalení jejich nanostruktury se léta pokou- šely vědecké týmy z celého světa. Neuspěly, protože všechny dostupné metody vyžadovaly drastické ošetření chemikáliemi, sušení, poko- vování 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 odha- lila, že povrch kondenzovaných chromozomů je po- setý četnými výběžky, smyčkami chromatinových vláken o průměrné velikosti kolem 30 nm. Takové prostorové uspořádání povrchu chromozomů nebylo dosud pozorováno. Navíc je velmi pravdě- podobné, 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 ve- dou 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 Dosažitelné rozlišení A-ESEM je při pod- mínkách studia chromozomů srovnatelné s rozlišením klasického „vakuového“ rastro- vacího elektronového mikroskopu (SEM), což může mít podle Viléma Neděly zcela zásadní vliv na vývoj světového trhu s elektro- novými mikroskopy. „ Možnost spojení A-ESEM s dalšími zobrazovacími technikami, včetně svě- telné 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 revoluční krok vpřed pro elektronovou mikro- skopii jako takovou, “ uzavírá Vilém Neděla. Výsledky mnohaletého výzkumu brněnských a olomouckých vědců publikoval časopis Scientific Reports , který je součástí nakladatel- ství vydávajícího jeden ze světově nejprestiž- nějších vědeckých časopisů Nature . Doc. Ing. et Ing. Vilém Neděla, Ph.D., DSc., Ústav přístrojové techniky AV ČR, vilem@isibrno.cz Prof. Ing. Jaroslav Doležel, DrSc., dr. h. c., Ústav experimentální botaniky AV ČR, dolezel@ueb.cas.cz
Dosud se pro zobrazení prostorové struk- tury 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. Jako auto, které jezdí po vodě a umí se ponořit 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, bakte- rie, a vědci se chystají i na viry. Navíc lze sledovat dynamické změny 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 mikro- skopu, a navíc řadu dalších, “ vysvětluje Vilém Neděla, vedoucí brněnského týmu Environmen- tální elektronové mikroskopie Ústavu přístrojové techniky AV ČR, který metodu vyvinul.
39
CHEMAGAZÍN • 4 / XXXIV (2024)
Made with FlippingBook - PDF hosting