Высокое разрешение в биомолекулярной визуализации критически важно для точности исследований белков, клеток и других биомедицинских объектов, влияя на достоверность научных открытий. Улучшение разрешения напрямую повышает надежность получаемых данных.
Одной из серьезных проблем является различение двух близко расположенных, одновременно излучающих дипольных эмиттеров. Дипольные эмиттеры, такие как флуоресцентные молекулы, испускают свет с определенным направлением и интенсивностью. Сложность возникает, когда эти молекулы находятся практически в одной точке пространства, что мешает точному измерению их взаимной ориентации и углового разделения.
Измерение ориентации и разделения необходимо для понимания вращательной динамики молекул, особенно в плотно упакованных клеточных средах. Однако существующие методы поляризационной визуализации сталкиваются с фундаментальным ограничением.
Исследователи из Инженерной школы Маккелви Вашингтонского университета в Сент-Луисе (WashU) под руководством Мэттью Лью, доцента кафедры электротехники и системной инженерии, и при участии ведущего автора Ияна Чэня, аспиранта докторской программы по науке о визуализации WashU, опубликовали работу в журнале Physical Review Letters.
Лью и Чэнь математически доказали, что существующие методы поляризационной визуализации не способны отличить пару совпадающих дипольных молекул от одной вращающейся молекулы. Изображения, получаемые от дипольных пар, всегда идентичны изображениям от одиночных вращающихся диполей при использовании стандартных подходов.
Для преодоления этого ограничения Лью и Чэнь разработали новую методику, объединяющую два подхода: манипулирование поляризацией лазера подсветки и измерение поляризации собранной флуоресценции. Эта комбинированная техника позволяет создавать уникальные изображения для одиночных молекул и пар, тем самым различая их.
Новый метод не только решает проблему различения, но и значительно повышает точность измерений. Точность определения ориентации диполей улучшается на 50%, а точность измерения углового разделения между парами молекул увеличивается в два-четыре раза по сравнению с традиционными методами.
«Структура всегда определяет функцию», — отмечает Иян Чэнь, подчеркивая связь между наноразмерной структурой, такой как взаимная ориентация молекул, и функцией макроскопических систем, например, при взаимодействии антитела с антигеном.
Мэттью Лью добавляет: «Чтобы продвигать науку вперед, важны детали». Он указывает на необходимость точного описания молекул как диполей, а не просто точек, и биомолекул не как сфер.
Это достижение представляет собой значительный прорыв в области ориентационной микроскопии. Оно открывает новые возможности для изучения молекулярной динамики, особенно в живых биологических системах, позволяя измерять ориентацию биомолекул и конформации белков с беспрецедентной точностью.
Повышенная точность метода найдет применение в широком спектре исследований и разработок. Сюда входит изучение взаимодействий белков, разработка новых лекарственных препаратов и исследование различных заболеваний на молекулярном уровне.
Изображение носит иллюстративный характер
Одной из серьезных проблем является различение двух близко расположенных, одновременно излучающих дипольных эмиттеров. Дипольные эмиттеры, такие как флуоресцентные молекулы, испускают свет с определенным направлением и интенсивностью. Сложность возникает, когда эти молекулы находятся практически в одной точке пространства, что мешает точному измерению их взаимной ориентации и углового разделения.
Измерение ориентации и разделения необходимо для понимания вращательной динамики молекул, особенно в плотно упакованных клеточных средах. Однако существующие методы поляризационной визуализации сталкиваются с фундаментальным ограничением.
Исследователи из Инженерной школы Маккелви Вашингтонского университета в Сент-Луисе (WashU) под руководством Мэттью Лью, доцента кафедры электротехники и системной инженерии, и при участии ведущего автора Ияна Чэня, аспиранта докторской программы по науке о визуализации WashU, опубликовали работу в журнале Physical Review Letters.
Лью и Чэнь математически доказали, что существующие методы поляризационной визуализации не способны отличить пару совпадающих дипольных молекул от одной вращающейся молекулы. Изображения, получаемые от дипольных пар, всегда идентичны изображениям от одиночных вращающихся диполей при использовании стандартных подходов.
Для преодоления этого ограничения Лью и Чэнь разработали новую методику, объединяющую два подхода: манипулирование поляризацией лазера подсветки и измерение поляризации собранной флуоресценции. Эта комбинированная техника позволяет создавать уникальные изображения для одиночных молекул и пар, тем самым различая их.
Новый метод не только решает проблему различения, но и значительно повышает точность измерений. Точность определения ориентации диполей улучшается на 50%, а точность измерения углового разделения между парами молекул увеличивается в два-четыре раза по сравнению с традиционными методами.
«Структура всегда определяет функцию», — отмечает Иян Чэнь, подчеркивая связь между наноразмерной структурой, такой как взаимная ориентация молекул, и функцией макроскопических систем, например, при взаимодействии антитела с антигеном.
Мэттью Лью добавляет: «Чтобы продвигать науку вперед, важны детали». Он указывает на необходимость точного описания молекул как диполей, а не просто точек, и биомолекул не как сфер.
Это достижение представляет собой значительный прорыв в области ориентационной микроскопии. Оно открывает новые возможности для изучения молекулярной динамики, особенно в живых биологических системах, позволяя измерять ориентацию биомолекул и конформации белков с беспрецедентной точностью.
Повышенная точность метода найдет применение в широком спектре исследований и разработок. Сюда входит изучение взаимодействий белков, разработка новых лекарственных препаратов и исследование различных заболеваний на молекулярном уровне.
