Revoluční metoda českých vědců odhaluje strukturu chromozomu

Psal se rok 1842, když švýcarský botanik Karl Wilhelm von Nägeli jako první na světě pozoroval a popsal chromozomy. Výzkumy v oblasti genetiky a zobrazovacích metod od té doby značně pokročily a o více než 180 let později si podobně významné prvenství připisují badatelé ze dvou pracovišť Akademie věd ČR – Ústavu přístrojové techniky a Ústavu experimentální botaniky. Díky nové metodě se jim podařilo zobrazit chromozom v přirozeném stavu. Odhalení jeho povrchové struktury s miniaturními výběžky a prostorově uspořádanými smyčkami vláken může v budoucnu ovlivnit například medicínu nebo zemědělství. Metodu výzkumníci představili 18. července 2024 na tiskové konferenci v Brně.

Po letech bádání a pokusů světových laboratoří zobrazit biologické vzorky v přirozeném stavu přišli čeští vědci s řešením. Nově vyvinutá metoda A-ESEM otevírá zcela nové možnosti zkoumání neživé, ale především živé hmoty. Pro zobrazení prostorové struktury biologických i nebiologických materiálů s rozlišením až miliontiny milimetru se dosud používala rastrovací elektronová mikroskopie (SEM), při které se vzorky pozorují ve vysokém vakuu. Procházejí tedy úpravami, jež ale mohou poškodit jejich strukturu, což vylučuje jejich pozorování v nativním stavu.

Metoda A-ESEM (Advanced Environmental Scanning Electron Microscopy, tedy pokročilá environmentální rastrovací elektronová mikroskopie) umožňuje zkoumat prakticky všechny živé vzorky: rostlinné a částečně i živočišné buňky v přirozeném stavu, malé živé živočichy, houby, plísně, roztoče, proteiny nebo bakterie. Vědci se chystají i na viry. Navíc lze sledovat dynamické změny vzorků v důsledku proměny jejich teploty, vysychání, chemické reakce či fyzikálního působení.

Tiskové konference se zúčastnili: místopředsedkyně AV ČR Ilona Müllerová, ředitel Ústavu přístrojové techniky AV ČR Josef Lazar, rostlinný genetik Jaroslav Doležel a autor metody Vilém Neděla.

Jako luxusní auto, které se dovede potápět
„Klasický mikroskop lze přirovnat k luxusnímu automobilu. 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 environmentálně kompatibilních podmínkách – velice šetrně, neubližujeme jim,“ popisuje Vilém Neděla.

Prototyp unikátního elektronového mikroskopu pro realizaci metody A-ESEM. Díky ultracitlivým detektorům mohou vědci pozorovat vzorky ve vysokém tlaku plynu a ve vlhkosti až 100 %.

A-ESEM je ze všech elektronově mikroskopických metod nejvíce univerzální, navíc ji lze použít k přípravě a dalším fyzikálně-chemickým analýzám vzorků. Podle Viléma Neděly je dokonce rychlejší, levnější a vhodnější pro studium dynamických změn biologických vzorků než kryo-elektronová mikroskopie, oceněná v roce 2017 Nobelovou cenou. „Naše nová metoda řeší základní problém zdánlivé neslučitelnosti elektronové mikroskopie s přítomností vody v kapalném skupenství ve vzorku. Je proto vhodná pro zobrazování živých organismů a extrémně citlivých nanostruktur a nanopovrchů, to vše ve vysokém rozlišení,“ dodává badatel.

Důležitý objev pro zdraví lidí i rostlin
Potenciál nové metody ověřili vědci ve spolupráci s olomouckým pracovištěm Ústavu experimentální botaniky AV ČR při studiu chromozomů, tedy mikroskopických struktur, které ukládají dědičnou informaci.

Chromozomy při dělení buněk kondenzují v mikroskopické válečkovité útvary. O odhalení jejich nanostruktury se léta pokoušely vědecké týmy z celého světa. Neuspěly, protože všechny dostupné metody vyžadovaly drastické ošetření chemikáliemi, sušení, pokovování či mrazení a následnou sublimaci ledu. Extrémně citlivá povrchová vrstva chromozomu se při takovém zkoumání buď poškodila, nebo zcela odstranila.

Kolorované snímky chromozomu v nativním stavu získané pomocí nově vyvinuté metody českých vědců. Chromozom měří ve skutečnosti přibližně 5 miliontin metru.

S myšlenkou na pozorování chromozomu přišel rostlinný genetik Jaroslav Doležel, vedoucí olomouckého týmu Ústavu experimentální botaniky AV ČR. Nová metoda odhalila, že povrch kondenzovaných chromozomů je posetý četnými výběžky, smyčkami chromatinových vláken o průměrné velikosti kolem 30 nm. Takové prostorové uspořádání povrchu chromozomů nebylo dosud pozorováno. Vědcům se navíc pravděpodobně podařilo zobrazit nepatrné, jen 12 nm velké nukleozomy, na kterých je jako na cívkách navinuta molekula DNA.

Získané výsledky přispívají k pochopení molekulární struktury chromozomů. „Chromozomy představují materiál, který přenáší dědičnou informaci z jedné buňky do druhé. Pokud neporozumíme jejich struktuře, nebudeme rozumět ani tomu, jak se informace přenáší, a nebudeme moci identifikovat problémy,“ říká Jaroslav Doležel.

Zatímco u člověka jsou poruchy chromozomů příčinou dědičných chorob, u zemědělských plodin vedou ke snížené plodnosti a výnosu. Odhalení jejich povrchové struktury poskytuje nový pohled na strukturu dědičného aparátu, umožní identifikaci poruch v jeho uspořádání a přispěje k vývoji syntetických organismů s uměle vytvořenou dědičnou informací.

Vilém Neděla v laboratoři představuje nově vyvinutou metodu novinářům.

Dosažitelné rozlišení A-ESEM je při podmínkách studia chromozomů srovnatelné s rozlišením klasického „vakuového“ rastrovacího elektronového mikroskopu (SEM), což může mít podle Viléma Neděly zcela zásadní vliv na vývoj světového trhu s elektronovými mikroskopy: „Možnost spojení A-ESEM s dalšími zobrazovacími technikami včetně světelné 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 odhadnout. V Ústavu přístrojové techniky AV ČR jsme každopádně přesvědčeni, že jde o jeden z nejdůležitějších objevů naší instituce a revolučním krokem pro elektronovou mikroskopii jako takovou.“

Výsledky publikoval časopis Scientific Reports.

3D model chromozomu

Text: Markéta Wernerová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR, s využitím tiskové zprávy AV ČR a rozhovoru AV ČR
Foto: Shutterstock; Ústav přístrojové techniky AV ČR

Text je uvolněn pod svobodnou licencí Creative Commons.

Přečtěte si také

• Další úspěšný krok na cestě k termojaderné fúzi, hlásí američtí vědci
• Strážci přesné sekundy. Jak se měří, uchovává a sdílí čas?
• Pevná a ohebná jako kost. Slitina je příslibem nové generace implantátů
• Čistíme vodu efektivně? Kvalitu je možné snadno zvýšit, říkají vědci
• Výměna dvou Sluncí: jaderná fúze slibuje bezpečnou a čistou budoucnost
• Pohyb světlem od dávné vesmírné sci-fi po dnešní realitu mikrosvěta
• Vize pro energii budoucnosti nabývá konkrétních obrysů díky novému tokamaku
• Obstála ve světě oceli, navíc v Japonsku. Vědkyně rozvíjí unikátní mikroskopii
• Bez jaderných elektráren se v Česku neobejdeme, říká předseda Komise pro energetiku
• Nový mikroskop zobrazuje pohyb molekuly velké jako tisícina vlasu, a to ve 3D