Учёные раскрыли скрытый мир жизненно важных клеточных структур с помощью голографической микроскопии

Это изображение демонстрирует уникальный взгляд на биомолекулярные конденсаты — крошечные безмембранные структуры внутри клеток. Круговая визуализация представляет собой конденсат: левая половина (цветная) показывает его сложную наномасштабную организацию, выявленную с помощью микроскопии сверхвысокого разрешения. Этот метод позволяет учёным исследовать тонкие детали расположения молекул, выходя далеко за рамки простых «капель». Правая половина (концентрические кольца) демонстрирует голографическую микроскопию, которая даёт точные измерения состава и динамики конденсата. Вместе эти передовые методы визуализации, молекулярное моделирование (структура в правом верхнем углу) и математические модели (уравнение в левом нижнем углу) помогают исследователям раскрывать сложные секреты этих важных клеточных структур. Авторы: Джулиан фон Хофе и Саумья Саурабх, Ph.D.

Команда химиков и физиков из Нью-Йоркского университета использует передовые технологии — голографическую микроскопию и сверхразрешающую визуализацию — чтобы понять, как клетки создают и развивают крошечные динамические капли, известные как биомолекулярные конденсаты.

Впервые учёные смогли измерить содержание белков и динамику роста отдельных биомолекулярных конденсатов, не нарушая их структуру. Это открытие может повлиять на разработку лекарств и моделирование заболеваний.

Биомолекулярные конденсаты управляют жизненно важными функциями клеток — от регуляции генов до реакции на стресс. До сих пор их изучение требовало вмешательства, которое искажало их структуру.

«Это была настоящая загадка для учёных», — сказала Саумья Саурабх, доцент кафедры химической биологии в NYU и старший автор нового исследования, опубликованного в Journal of the American Chemical Society. «Наше исследование предлагает точный и неинвазивный способ изучения биомолекулярных конденсатов».

«Возможность впервые заглянуть „под капот“ раскрыла большие сюрпризы об этом важном классе систем», — добавил Дэвид Грир, профессор физики и директор Центра исследований мягкой материи в NYU.

Заглядывая в неизвестное

Биомолекулярные конденсаты — это микроскопические структуры, которые концентрируют определённые молекулы, такие как белки и нуклеиновые кислоты, без мембранного окружения. Этот процесс, известный как фазовое разделение, критически важен для организации биохимии клетки. Хотя исследование NYU сосредоточено на этих динамических каплях in vitro — в контролируемых лабораторных условиях — фундаментальные принципы, которые они раскрыли, применимы и к живым клеткам.

«Часто их сравнивают с каплями масла и воды, но сложная реальность биомолекулярных конденсатов, как показали наши результаты, выходит далеко за рамки простого жидкостного фазового разделения», — отметила Саурабх.

Традиционно для изучения биомолекулярных конденсатов под микроскопом исследователи использовали флуоресцентные метки или двумерные поверхности, что могло значительно искажать поведение капель. Это серьёзная проблема, поскольку конденсаты чрезвычайно чувствительны к окружающей среде.

«Я был удивлён их сложной и невероятно чувствительной реакцией на различные ионные виды. Даже небольшое изменение валентности ионов резко меняло как концентрацию, так и динамику конденсатов», — сказал Джулиан фон Хофе, аспирант в группе Саурабх и первый автор исследования.

Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали систему, которая медленно пропускает тысячи капель через голографический микроскоп, позволяя изучать их в реальном времени без повреждения.

Голографическая точность и разрешение на уровне одной молекулы

Лаборатория Грира стала пионером в использовании голографической микроскопии, которая применяет лазеры и линзы для создания трёхмерных изображений (голограмм) частиц, записываемых на видео для анализа. Этот метод позволяет изучать частицы в растворе без необходимости использования флуоресцентных меток или прикрепления к поверхности.

Применив этот новый безынвазивный метод к конденсатам, образованным белком PopZ (важным для роста бактериальных клеток), учёные впервые смогли точно измерить концентрацию белков внутри конденсатов. Вдохновившись экспериментом Бенджамина Франклина XVIII века, который использовал масляную плёнку для определения длины одной молекулы, команда измерила объём одного белка, чтобы определить его концентрацию внутри конденсатов.

Они обнаружили, что биомолекулы могут концентрировать белки внутри конденсатов более чем в десять раз. Однако рост наблюдаемых конденсатов оказался неожиданным и не соответствовал классическим моделям, что побудило исследователей использовать визуализацию на уровне одной молекулы.

Для изучения сложной внутренней архитектуры и динамики команда применила сверхразрешающую микроскопию — технологию, удостоенную Нобелевской премии и являющуюся ключевой в исследованиях Саурабх. Данные показали, что конденсаты — это не просто однородные капли, а структуры с замысловатой наномасштабной организацией (в 1000–100 000 раз меньше ширины человеческого волоса). Результаты подтвердились молекулярным моделированием, предоставившим атомарные детали этих загадочных структур.

«Наше сотрудничество привело к созданию быстрых, точных и эффективных методов измерения состава и динамики макромолекулярных конденсатов», — сказал Грир.

От капель к болезням и доставке лекарств

Понимание организации и роста биомолекулярных конденсатов может дать ключи к лечению различных заболеваний — от рака и инфекций до неврологических расстройств.

«При таких болезнях, как БАС (боковой амиотрофический склероз), белки, образующие бляшки, в здоровом состоянии являются жидкими конденсатами. Понимание того, как сферический конденсат превращается в смертоносную бляшку, может помочь лучше понять БАС», — объяснила Саурабх.

Кроме того, недавно учёные обнаружили, что многие лекарственные молекулы попадают внутрь биомолекулярных конденсатов в клетках. Это может объяснить, почему препараты, предназначенные для воздействия на определённые белки, всё равно вызывают побочные эффекты.

Новый метод анализа конденсатов позволяет учёным измерять даже небольшие различия в их составе и структуре при добавлении новых молекул.

«Теперь мы можем исследовать химическое пространство модификаций лекарств, чтобы точно контролировать их распределение и предотвращать попадание в конденсаты. Это открывает новые возможности в дизайне лекарств и снижении их побочных эффектов», — сказала Саурабх.

Среди других авторов исследования — Джатин Абакоснак, Мечи Чен, Моэка Сасазава и Ида Явер Кристиансен из NYU, а также Сорен Уэстрей из Университета Карнеги-Меллон.

Дополнительная информация: Julian von Hofe et al, Multivalency Controls the Growth and Dynamics of a Biomolecular Condensate, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c02947

Источник: Нью-Йоркский университет