Фотоохота на эмбрионы: ученые поймали первые мгновения жизни в объективе квантовой камеры
NewsMakerКак флуоресцентная микроскопия поможет прокачать методы ЭКО.
Ученые Университета Аделаиды разработали революционный метод наблюдения за первыми мгновениями жизни. В Центре света для жизни создали систему на основе квантовых камер, способных регистрировать каждый отдельный фотон в изображении клетки. Это достижение может существенно улучшить технологии экстракорпорального оплодотворения и расширить понимание ранних стадий развития организмов.
Флуоресцентная микроскопия, на которой основан метод, использует уникальную способность некоторых молекул поглощать свет одной длины волны и переизлучать его на другой. Этот принцип впервые применили еще в начале XX века, что позволило ученым увидеть детали клеточных структур, прежде недоступные обычным оптическим приборам. Когда определенные соединения в клетке поглощают фотоны, их электроны переходят в возбужденное состояние, а затем, возвращаясь в обычное положение, испускают свет с большей длиной волны.
Многие важные биомолекулы, включая ферменты, белки и нуклеиновые кислоты, обладают естественной флуоресценцией. По интенсивности их свечения исследователи могут судить о метаболических процессах в живых тканях. Например, изменения в соотношении флуоресценции определенных молекул — так называемый оптический редокс-коэффициент — напрямую отражают энергетический обмен в живых структурах.
Однако традиционные методы сталкиваются с серьезным ограничением. Чтобы вызвать достаточно яркое свечение, требуется интенсивное освещение образца, которое может повредить живые клетки. При снижении яркости качество изображения ухудшается настолько, что различить важные детали становится невозможно. Особенно остро эта проблема проявляется при изучении эмбрионов, крайне чувствительных к любому внешнему воздействию.
Новая разработка решает дилемму. Австралийцы создали камеру, настолько чувствительную, что она способна зафиксировать единичные фотоны, испускаемые биоструктурами. В основе устройства лежат последние достижения квантовой оптики — области физики, изучающей взаимодействие света с веществом на уровне отдельных квантов энергии.
В ходе экспериментов исследователи направляли на эмбрионы мыши сверхкороткие лазерные импульсы с длиной волны 740 нанометров. Такое излучение почти не повреждает живые ткани, но способно вызвать их слабое свечение. Квантовая камера улавливала это свечение, а специальные алгоритмы искусственного интеллекта очищали полученные изображения от шумов и помех.
Команда разработала уникальную методику сравнения эффективности разных типов камер, учитывающую множество параметров: от чувствительности к слабым сигналам до способности различать мельчайшие детали клеточных структур. Для этого потребовалось объединить знания из разных областей науки: квантовой физики, биологии, лазерной техники и компьютерного анализа изображений.
В будущем исследователи планируют использовать особые квантовые состояния света, что позволит получать еще больше информации. Например, можно будет не только наблюдать за развитием эмбрионов, но и точно определять их жизнеспособность, что критически важно для успешного экстракорпорального оплодотворения. Технология также открывает новые возможности для изучения работы стволовых клеток, развития опухолей и действия лекарственных препаратов.
Ученые Университета Аделаиды разработали революционный метод наблюдения за первыми мгновениями жизни. В Центре света для жизни создали систему на основе квантовых камер, способных регистрировать каждый отдельный фотон в изображении клетки. Это достижение может существенно улучшить технологии экстракорпорального оплодотворения и расширить понимание ранних стадий развития организмов.
Флуоресцентная микроскопия, на которой основан метод, использует уникальную способность некоторых молекул поглощать свет одной длины волны и переизлучать его на другой. Этот принцип впервые применили еще в начале XX века, что позволило ученым увидеть детали клеточных структур, прежде недоступные обычным оптическим приборам. Когда определенные соединения в клетке поглощают фотоны, их электроны переходят в возбужденное состояние, а затем, возвращаясь в обычное положение, испускают свет с большей длиной волны.
Многие важные биомолекулы, включая ферменты, белки и нуклеиновые кислоты, обладают естественной флуоресценцией. По интенсивности их свечения исследователи могут судить о метаболических процессах в живых тканях. Например, изменения в соотношении флуоресценции определенных молекул — так называемый оптический редокс-коэффициент — напрямую отражают энергетический обмен в живых структурах.
Однако традиционные методы сталкиваются с серьезным ограничением. Чтобы вызвать достаточно яркое свечение, требуется интенсивное освещение образца, которое может повредить живые клетки. При снижении яркости качество изображения ухудшается настолько, что различить важные детали становится невозможно. Особенно остро эта проблема проявляется при изучении эмбрионов, крайне чувствительных к любому внешнему воздействию.
Новая разработка решает дилемму. Австралийцы создали камеру, настолько чувствительную, что она способна зафиксировать единичные фотоны, испускаемые биоструктурами. В основе устройства лежат последние достижения квантовой оптики — области физики, изучающей взаимодействие света с веществом на уровне отдельных квантов энергии.
В ходе экспериментов исследователи направляли на эмбрионы мыши сверхкороткие лазерные импульсы с длиной волны 740 нанометров. Такое излучение почти не повреждает живые ткани, но способно вызвать их слабое свечение. Квантовая камера улавливала это свечение, а специальные алгоритмы искусственного интеллекта очищали полученные изображения от шумов и помех.
Команда разработала уникальную методику сравнения эффективности разных типов камер, учитывающую множество параметров: от чувствительности к слабым сигналам до способности различать мельчайшие детали клеточных структур. Для этого потребовалось объединить знания из разных областей науки: квантовой физики, биологии, лазерной техники и компьютерного анализа изображений.
В будущем исследователи планируют использовать особые квантовые состояния света, что позволит получать еще больше информации. Например, можно будет не только наблюдать за развитием эмбрионов, но и точно определять их жизнеспособность, что критически важно для успешного экстракорпорального оплодотворения. Технология также открывает новые возможности для изучения работы стволовых клеток, развития опухолей и действия лекарственных препаратов.