Nafúknuté aminokyseliny

Obrovský (a to doslova) úspech zaznamenáva technika, ktorá bunky zväčšuje do ohromných rozmerov, aby odhalila ich najjemnejšie detaily. Vedci používajú polymér podobný superabsorpčným materiálom v plienkach, pomocou ktorého zväčšujú objem biologických vzoriek na miliardunásobok pôvodnej hodnoty – v každom rozmere na tisícnásobok. Takýmto „nafúknutím“ by sa jediná bunka dala zväčšiť na veľkosť myšieho mozgu a vzorka veľkosti drobnej mince na rozmery olympijského plaveckého bazéna.

Pomocou tejto techniky môžu vedci bežnými svetelnými mikroskopmi mapovať polohu aminokyselín, stavebných jednotiek bielkovín, v bielkovinách aj v malých molekulách nazývaných peptidy. Metódu opísali v preprintovom článku zverejnenom začiatkom júna 2026 na serveri bioRxiv. Takéto podrobné skúmanie molekúl si doteraz zvyčajne vyžadovalo drahé a zložité techniky, napríklad kryoelektrónovú mikroskopiu (cryo-EM) či röntgenovú kryštalografiu.

– hovorí spoluautor štúdie Silvio Rizzoli, neurovedec a odborník na zobrazovacie metódy z Univerzitného medicínskeho centra v Göttingene (UMG). „Naozaj nám to umožňuje opísať bielkovinu na tej najzákladnejšej úrovni,“ dodáva spoluautorka Helena Hu, bioinžinierka z Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Expanzná mikroskopia

Zákony fyziky obmedzujú optické rozlíšenie svetelných mikroskopov: objekty vzdialené od seba menej než približne 200 nanometrov nemožno navzájom rozlíšiť. Techniky svetelnej mikroskopie so „superrozlíšením“, ktoré sa zvyčajne spoliehajú na optické triky a drahé prístroje, posunuli túto hranicu pod 10 nm.

V roku 2015 Edward Boyden, neuroinžinier z MIT a spoluautor štúdie, s kolegami vyvinul alternatívnu metódu, ktorá umožňuje dosiahnuť mimoriadne vysoké rozlíšenie pomocou bežných fluorescenčných svetelných mikroskopov. Vedci pomocou napučiavajúceho hydrogélu zväčšili vzorky tkaniva vo všetkých smeroch približne štvornásobne. Bunkové zložky sa tým od seba vzdialili, čím sa zlepšilo rozlíšenie.

Odvtedy vedci Boydenovu metódu nazvanú „expanzná mikroskopia“ priebežne zdokonaľovali a vzorky nechávali napučiavať do čoraz väčších objemov. Zdalo sa však, že hranicou je približne dvadsaťnásobné zväčšenie rozmerov. Aby dosiahli ešte väčšie rozmery, vyvinuli nové zloženie hydrogélu, ktoré umožnilo vzorky roztiahnuť ešte viac. Na mapovanie štruktúr bielkovín svetelným mikroskopom výskumníci zároveň použili metódu expanznej mikroskopie nazvanú ONE mikroskopia.

Obrovské bielkoviny

Pri takto dosiahnutom tisícnásobnom roztiahnutí vedci označili niekoľko z deviatich aminokyselín tvoriacich peptid mCLING. Potom fluorescenčným mikroskopom zobrazili vzájomné polohy týchto stavebných jednotiek. Merania sa zhodovali so štruktúrami mCLING získanými počítačovými simuláciami.

Metóda odhalila aj štruktúru bielkoviny nazývanej nanoprotilátka, ktorá je zmenšenou verziou protilátky, a polohu niektorých jej aminokyselín. Vedci pomocou tejto techniky zmapovali aj už známu štruktúru zeleného fluorescenčného proteínu (GFP), jedného zo základných nástrojov používaných v biotechnológiách na označovanie iných bielkovín.

Podľa odhadov vedcov dosahuje ich model GFP, zrekonštruovaný z niekoľkých tisíc snímok, rozlíšenie približne 1,2 nm, teda 12 ångströmov. To zaostáva za rozlíšením 1,9 ångströmu pri štruktúre GFP určenej röntgenovou kryštalografiou a dostupnej vo verejných databázach, ako aj za úrovňou detailov, ktorú odborníci bežne dosahujú kryoelektrónovou mikroskopiou.

Ako však uvádza Ali Shaib, odborník na nanoskopiu z UMG a spoluautor štúdie, vďaka zdokonaleniu metódy sa v dosiaľ nepublikovanom experimente podarilo pri purifikovaných bielkovinách dosiahnuť rozlíšenie pod 10 ångströmov. Rizzoli poznamenáva, že výskumníci už dokážu s rozlíšením približne 10 ångströmov určiť aj tvar bielkovín, ktoré sa stále nachádzajú vo vnútri buniek.

– hovorí Shaib.

Rizzoli však zdôrazňuje, že techniky, ako je mikroskopia s tisícnásobným zväčšením vzorky, treba posudzovať podľa toho, aké biologické informácie dokážu odhaliť. „Nemyslím si, že ide len o rozlíšenie, ale aj o to, čo vďaka nemu môžeme vidieť.“

Lacnejšia mikroskopia?

Aj skoršie techniky svetelnej mikroskopie so superrozlíšením umožňovali dosiahnuť rozlíšenie na úrovni ångströmov, hovorí Lothar Schermelleh, odborník na zobrazovacie metódy z Oxfordskej univerzity. Informácie o štruktúre, ktoré poskytujú, sú však obmedzené. „Tento výskum všetko mení. Zobrazenie GFP je jednoducho fantastické,“ hovorí odborník.

Kirti Prakash, výpočtový biológ z Ruskinovej univerzity, je však skeptický k tomu, či si vzorky zväčšené v každom rozmere na tisícnásobok skutočne zachovávajú pôvodné vlastnosti. Podľa neho by sa štruktúrne detaily uvedené v štúdii mali overiť aj inými metódami. „Je to veľmi pôsobivý a vzrušujúci výsledok. Osobne si však myslím, že neodhalili nové biologické poznatky,“ hovorí.

Miliardunásobné zväčšenie biologických vzoriek prináša jasné výzvy. Pri takýchto rozmeroch môžu aj stredne veľké bielkoviny vyplniť celé zorné pole mikroskopu, hovorí John Danial, výskumník experimentálnej fotoniky z Univerzity v St Andrews. Na získanie štruktúr s vysokým rozlíšením treba „spriemerovať“ mnoho častíc, takže vedci musia zhromaždiť veľké množstvo snímok na rekonštrukciu štruktúry jedinej bielkoviny, vysvetľuje odborník.

Podľa Hu možno techniku kombinovať aj s automatizovaným snímaním: zdá sa, že gély si celé dni zachovávajú rozmery bez toho, aby sa zmršťovali. Navyše sa touto technikou dajú zobrazovať aj bielkoviny, ktoré sú príliš malé na skúmanie kryoelektrónovou mikroskopiou, dodáva.

Danial napriek týmto výzvam dúfa, že techniky svetelnej mikroskopie využívajúce napríklad tisícnásobné zväčšenie vzoriek prinesú nové poznatky o štruktúre bielkovín a ďalších biomolekúl. Zároveň sa domnieva, že tieto metódy môžu znížiť finančné bariéry v štruktúrnej biológii. V Afrike napríklad funguje iba jediné pracovisko kryoelektrónovej mikroskopie. Ako hovorí výskumník: