Содержание
Впервые получено реальное изображение ДНК // Смотрим
Впервые получено реальное изображение ДНК // Смотрим
Профиль
30 ноября 2012, 14:05
- Дарья Загорская
(иллюстрация Francesco Gentile et al.).
Итальянские физики с помощью просвечивающего электронного микроскопа и специально разработанного метода подготовки образцов впервые в мире получили фотографии ДНК.
В 1953 году Джеймс Уотсон и Френсис Крик установили, что структура ДНК представляет собой двойную спираль. Учёные определили это, используя данные рентгеноструктурного анализа, полученные Морисом Уилкинсом и Розалиндой Франклин.
Этот метод анализа основан на дифракции рентгеновских лучей на трёхмерной кристаллической решётке, в узлах которой в данном случае были расположены молекулы ДНК.
Дифракционная картина регистрируется на фотопластинке. В случае ДНК выходное изображение представляет собой сложнейшую комбинацию точек, положение которых определяется расположением атомов в молекуле. «Расшифровка» такого изображения требует сложного математического подхода.
Получаемые данные позволяют определить местоположение атомов, межатомные расстояния, общую структуру молекул и многое другое. Но как бы точны ни были расчётные модели, они всё равно дают лишь теоретическое представление об объекте исследования.
Учёные из Итальянского технологического института (IIT) решили изменить ситуацию и сфотографировать ДНК напрямую.
С помощью электронного микроскопа они запечатлели знаменитую двойную спираль во всём её великолепии на фотографии, что стало возможным благодаря своеобразному трюку.
Энзо Ди Фабрицио (Enzo Di Fabrizio) и его коллеги разработали уникальный метод нанесения образца, который позволил сделать заветную фотографию просвечивающим электронным микроскопом.
Учёные создали кремниевую подложку с наноразмерными столбиками из кремния, которые обладают водоотталкивающими свойствами. В результате при нанесении влага из раствора с ДНК чрезвычайно быстро испаряется, оставляя молекулы растянутыми и полностью готовыми к «просмотру».
Помимо этого исследователи снабдили подложку множеством крошечных отверстий, через которые проникают пучки электронов. Это позволило получить изображение с высоким разрешением.
Все старания учёных окупились сторицей: на снимке перед ними предстала нить из двойных спиралей ДНК, напоминающая штопор с очень плотными витками. (К сожалению, на настоящий момент учёные имеют возможность работать лишь с «канатами» из ДНК, которые состоят из шести молекул, закрученных вокруг седьмой.
Причина в слишком большой энергии электронов, используемых микроскопом, поток частиц мгновенно разрушит одиночную двойную спираль.)
Итальянцы надеются, что вскоре новая технология исследования поможет рассмотреть, каким образом ДНК взаимодействует с другими биологически активными молекулами, например, с белками и РНК.
Сейчас специалисты продолжают поиски более чувствительных детекторов с меньшей энергией электронов, а также совершенствуют метод подготовки образцов для анализа.
Что ж, вполне вероятно, что вскоре мы увидим и «личную» фотографию легендарной двойной спирали. А пока с «групповым» снимком и результатами исследования можно ознакомиться в статье в журнале Nano Letters.
Также по теме:
Новый анализатор ДНК выдаёт генетический портрет преступника за 25 минут
Синтетические биологи готовятся найти ДНК на Марсе
Геном человека оказался сложнее, чем думали раньше
Нити ДНК определяют форму наночастиц золота
Детектор из золота и ДНК поможет доказать существование тёмной материи
новости
Весь эфир
Авто-геолокация
Пионер CRISPR/Cas создал новый метод микроскопии.
Для него не нужен микроскоп. Вместо света он использует молекулы ДНК, а вместо глаз — секвенатор и компьютер — Наука
Современные методы микроскопии хорошо определяют форму клеток и плотность расположения молекул внутри них, но не позволяют распознать отдельные молекулы. Можно, конечно, ввести в клетку специальные красители или светящиеся зонды, но для каждой интересующей ученых молекулы нужен свой зонд, желательно не перекрывающийся по спектру излучения с другими. Эти технологии работают для отдельных белков, но становятся неудобны, когда речь идет о нуклеиновых кислотах, например молекулах РНК.
РНК представляют собой копии ДНК, «выписки» из генов, глядя на которые, клетка синтезирует белки. В отличие от ДНК, которая сконцентрирована в ядре, РНК распределены по всей цитоплазме, а иногда группируются в том месте, где необходимы кодируемые ими белки. Чтобы рассмотреть расположение молекул РНК в клетке, группа Джанга Фэна (человека, который впервые заставил работать CRISPR/Cas в клетках человека) из Массачусетского технологического института создала метод ДНК-микроскопии.
Впрочем, с привычной нам микроскопией он имеет мало общего — например, для него нужен не микроскоп, а секвенатор и специальный алгоритм, который строит по данным секвенирования картинку.
Для начала интересующие нас клетки фиксируют и проделывают в мембране небольшие дырочки. В эти отверстия впрыскивают полимеразы, ферменты для копирования нуклеиновых кислот и ДНК-зонды — последовательности ДНК, комплементарные (то есть способные прилипнуть) к исследуемым молекулам РНК и несущие на конце уникальные метки.
В качестве точки отсчета — условно говоря, «нулевой координаты» — ученые использовали РНК белка актина. Этих РНК много в самых разных участках клетки, поэтому логично было ожидать, что от них можно будет дотянуться до любой точки клетки.
Впрыснутые в клетку зонды прилипают ко всем РНК, и клетка достраивает зонды до конца — для этого ей, собственно, и требуются полимеразы. Получаются нити, в которых за последовательностью РНК следует уникальная метка.
Затем в клетки вбрасывают праймеры — набор коротких уникальных кусочков ДНК. Они прилипают на концы нитей, клетка тоже достраивает их до конца. Получаются молекулы, состоящие из последовательности РНК, уникальной метки и праймера.
Описание
Ольга Скворцова / Chrdk.
Затем эти молекулы слипаются друг с другом своими концами, поскольку праймеры комплементарны. Итогом становится длинная нить: «нулевая» РНК, уникальная метка 1, слипшиеся праймеры, РНК-мишень, уникальная метка 2. Чем ближе друг к другу в клетке расположены «нулевая» РНК и РНК-мишень, тем больше получится таких нитей, и, соответственно, по их числу можно оценить расстояние между двумя фрагментами РНК.
Описание
Ольга Скворцова / Chrdk.
Наконец, исследователи секвенируют нуклеиновые нити из клетки и оценивают их концентрацию. По соотношению сцепок «нулевых» РНК с разными РНК-мишенями компьютерный алгоритм восстанавливает их распределение по клетке и даже ее форму.
Изображения, которые исследователи получили таким методом, очень напоминают результаты обычной световой микроскопии.
Описание
В — фото клеток, производящих красный и зеленый флуоресцентные белки, в обычный микроскоп. D — результат ДНК-микроскопии. Красный и зеленый — флуоресцентные белки, серый — актин, белый — белок, участвующий в расщеплении глюкозы. Weinstein et al. / Cell
Люди впервые увидели структуру ДНК
История фотографии, раскрывающей геометрию, на которой основана вся жизнь
Энцо ди Фабрицио через New Scientist
08 Есть немного тайн, которые хотя бы приближаются к тайнам жизни — откуда она берется, как воспроизводится — по своему величию. Что может быть более простым, более красивым и вызывающим более благоговейный трепет, чем двойная спираль, те переплетающиеся, извилистые нити, которые уступают место всей жизни, изображение которых мы можем увидеть впервые?
Но, конечно, мы знали, как выглядит ДНК, еще до того, как смогли увидеть ее так непосредственно в электронный микроскоп, как на верхней фотографии, которая была опубликована на этой неделе.
На самом деле мы знаем о двойной спирали уже 60 лет. И это потому, что Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик видели это, рентгеновский снимок, сделанный Розалиндой Франклин в 1952 году:
Фотография 51
Есть что-то настолько ошеломляющее в том моменте, когда Ватсон впервые увидел это изображение и вдруг стал первым человеку понять структуру генетического материала. Позже он писал:
В тот момент, когда я увидел картинку, мой рот открылся, а пульс участился. Шаблон был невероятно проще, чем те, которые были получены ранее. Кроме того, черный крест отражений, господствовавший на картине, мог возникнуть только из спиральной структуры.
Хотя на этом изображении может показаться, что вы видите небольшой фрагмент ДНК, метод рентгеновской кристаллографии, который использовал Франклин, не дает, в отличие от электронного микроскопа, изображения того, что вы могли бы увидеть невооруженным глазом. если бы вы только могли видеть что-то такое маленькое.
Скорее, как объяснила NOVA в специальном отчете 2003 года, «рентгеновские лучи могут создавать изображения мельчайших структур, таких как ДНК, потому что их длины волн настолько коротки, что рентгеновские лучи фактически отражаются от атомов. через молекулу ДНК рикошетят от молекулярных структур на своем пути и рассеиваются или дифрагируют в разных направлениях. Когда рентгеновские лучи выходят из ДНК, они оставляют после себя узор на кусочке фотопленки». На фотографии 51, как называется изображение, вы видите скорее тень ДНК, чем саму ДНК. Интерактив на сайте NOVA объясняет, как рисунок X указывает на спираль и, что особенно важно, как отсутствующие «мазки» на изображении на четвертом слое указывают на двойную спираль. Благодаря этому пониманию Уотсон и Крик смогли, наконец, построить модель ДНК, и их статья, опубликованная в Nature в 1953 году создал современную область генетики.
К сожалению, эта история не только о счастливом открытии, но и о человеческой драме, которая всегда продолжается.
Уотсон увидел изображение без разрешения Франклина и в последующие годы делал пренебрежительные замечания о ее внешности и поведении. В то время как Уотсон и Крик получили Нобелевскую премию, Франклин умерла всего через несколько лет после открытия, в 1958 году, рака яичников, который мог быть вызван облучением ее рентгеновскими лучами, хотя у нее также могла быть генетическая предрасположенность. предрасположенность.
В последние годы разгорелись непрекращающиеся дебаты о том, как распределить заслуги в этом монументальном открытии — как почтить память женщины, сделавшей этот снимок и чью работу так затмили гигантские фигуры Уотсона и Крика. . Противоречие в некотором смысле печально уместно: когда мы искали молекулу, которая делает нас людьми, мы продемонстрировали недостатки — хитрость, сексизм, мелкие склоки, — которые действительно делают нас такими.
Вы не сможете увидеть ДНК, если не посмотрите как следует | Стивен Карри | Наука
Мы знаем, как выглядит ДНК, и изучаем ее уже почти 60 лет.
Так почему же о новом анализе структуры ДНК так мало сообщалось?
Я не злой человек, но новый анализ структуры ДНК с помощью электронной микроскопии вчера меня рассердил. Это не было виной ученых, участвовавших в исследовании, но небрежность, с которой сообщалось о результатах, заставило меня понервничать.
Структура ДНК была впервые определена почти 60 лет назад благодаря знаменитому анализу Уотсоном и Криком картин рассеяния, записанных Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин, когда они направляли рентгеновские лучи на узкие волокна вещества. У нас было много времени, чтобы уточнить и переварить этот результат, поэтому я был удивлен, наткнувшись на столько неточной информации в интернет-дайджестах о новом открытии, о котором сообщила в журнале Nano Letters итальянская группа под руководством Энцо ди Фабрицио.
Веб-сайт io9.com озаглавил статью Джорджа Дворски «Ученые впервые сделали снимок двойной спирали ДНК». Нет, не было. В сопроводительной статье факт перемежался с вымыслом, прежде чем, наконец, был сделан вывод о том, что новый метод визуализации позволит нам увидеть, «как он взаимодействует с белками и РНК».
Нет, не будет.
Через минуту я объясню почему, но сначала давайте взглянем на статью New Scientist в той же статье. Это был более взвешенный и более точный отчет о новом результате, но статья началась неудачно. В статье Роланда Писа утверждалось, что «электронный микроскоп запечатлел знаменитую двойную спираль Уотсона-Крика во всей ее красе». Но это явно не так. Прилагаемое изображение было нечетким и не показывало двойную спираль, похожую на описанную Уотсоном и Криком.
Модель и электронная микрофотография волокна ДНК (опубликовано в Nano Letters)
Пиз последовал за этим с тем же необоснованным утверждением, что новый метод позволит исследователям увидеть, как другие биомолекулы взаимодействуют с ДНК. Я не уверен, откуда взялось это утверждение, потому что его нет в газете. Возможно, неудачный пресс-релиз?
Наконец-то Алекс Уайлд написал об этой статье в журнале Scientific American. В его посте, рискованно озаглавленном «Как на самом деле выглядит ДНК», утверждалось, что в статье сообщается о «первом в истории микроскопическом изображении изолированной молекулы ДНК».
Если бы он взял на себя нанопроблему и набрал «электронную микрофотографию ДНК» в поиске Google, он бы увидел, что существует множество более ранних микроскопических изображений ДНК. Если бы он более внимательно посмотрел на реферат статьи — в данном случае услужливо проиллюстрированный (см. выше), — он бы увидел, что образец на самом деле представляет собой пучок молекул ДНК, а не изолированный. Шиш.
Зачем поднимать из-за этого шум? Хорошо, отчасти потому, что я использую рентгеновскую кристаллографию, а не электронную микроскопию, чтобы изучить структуры интересных биологических молекул в своих исследованиях, и преувеличенные заявления, сделанные научными писателями в пользу электронной микроскопии, раздражали меня до мурашек. Вы знаете, мы, ученые, территориально разделены.
Я не должен так расстраиваться, потому что проблема во многом связана с соблазнительной силой изображения, над чем я ломал голову раньше. Все три автора сосредоточились на том факте, что новая газета сообщила о картине, которую вы можете видеть; напротив, хотя рентгеновский метод дает гораздо более высокий уровень детализации, его результаты получаются косвенно посредством математического анализа того, как молекулы рассеивают рентгеновский луч.
Дворский, Пиз и Уайлд, возможно, не полностью осознали, что косвенность рентгеновской кристаллографии никоим образом не снижает качество получаемой информации — по общему признанию, не то, что я ожидал бы знать от неспециалиста, — но привлекательность изображения, тем не менее, кажется чтобы притупить их зрение. Что меня разочаровало, так это то, что, несмотря на то, что им подали изображение, они не рассмотрели его должным образом, и это позволило закрасться ошибкам.
На самом деле новым в статье является то, что авторы смогли получить высококонтрастное изображение волокна ДНК (состоящего из пучка двойных спиралей ДНК) с помощью электронной микроскопии. Они сделали это, высушив каплю ДНК, растворенную в воде, над слоем кремния, который был микрофабрикирован так, чтобы на его поверхности располагался массив крошечных столбиков. Когда вода испарилась, нити ДНК остались растянутыми между столбами. Потому что они приостановлены выше на кремниевой основе удалось получить хорошее изображение нитей ДНК (контраст хуже, если ДНК лежит на твердой поверхности).
Приятно, что авторы отмечают, что их подготовка образцов аналогична методу, использованному Уилкинсом, но они получили волокна примерно в тысячу раз тоньше, чем он смог получить.
И что они видят? В изображении определенно есть тонкая структура. Существуют повторяющиеся особенности размера, ожидаемые для спиральной структуры ДНК. Но итальянским исследователям было ясно и должно быть ясно любому, кто смотрит на картинку в их онлайн-реферате, что изображение представляет собой не одну молекулу ДНК, а их связку. Ди Фабрицио и его коллеги смоделировали структуру как группу из семи параллельных двойных спиралей ДНК, поскольку в результате получается структура такой же толщины, как и изображенное волокно.
Однако верна ли их модель? Если вы посмотрите на вставку на рисунке, вы увидите, что углубления на нижней стороне намного глубже, чем на модели ДНК (средняя панель). Возможно, это артефакт того, как электронные микроскопы создают изображения. Я не знаю, потому что я не эксперт, и авторы не комментируют несоответствие.
Связанный характер образцов ДНК, подготовленных для этих экспериментов, также помогает объяснить, почему метод микроскопии будет непригоден для анализа взаимодействий белковых молекул с ДНК, вопреки утверждениям Дворского и Писа. Пучки ДНК не встречаются в природе; в живых клетках, когда ДНК манипулируют белками — для копирования или использования для создания инструкций для клеточных процессов — двойная спираль должна быть разделена на отдельные нити, чтобы можно было прочитать генетический код. Мы вряд ли сможем исследовать эти процессы, используя образцы, состоящие из плотно упакованных пучков двойных спиралей ДНК.
Даже если с помощью электронной микроскопии можно выделить и визуализировать одну цепь ДНК, тот факт, что метод основан на значительной степени высушивания образца, делает его непригодным для анализа любых связанных белков, поскольку эти молекулы критически зависят от погружения в воду для работы. правильно.
Все это говорит вам о том, что Природа — сука, которая любит усложнять жизнь ученым.