Как после Нобелевской премии Эрик Бетциг изменил подход к наблюдению живых клеток

История современной флуоресцентной микроскопии связана не только с увеличением разрешения, но и с поиском методов, позволяющих наблюдать живые объекты без сильного светового повреждения. Именно в этом направлении после Нобелевской премии 2014 года продолжил работу Эрик Бетциг — один из создателей сверхразрешающей флуоресцентной микроскопии. Нобелевскую премию по химии за 2014 год он разделил с Штефаном Хеллем и Уильямом Мёрнером за развитие методов сверхвысокого разрешения в световой микроскопии.

Уже в 2014 году, практически сразу после объявления Нобелевской премии, группа Бетцига представила новый этап развития флуоресцентной микроскопии — lattice light-sheet microscopy. Соответствующая работа Lattice light-sheet microscopy: Imaging molecules to embryos at high spatiotemporal resolution была опубликована в журнале Science в выпуске от 24 октября 2014 года. Метод был разработан для того, чтобы получать трёхмерные изображения живых клеток и эмбрионов с высокой скоростью, хорошим контрастом и существенно меньшей фототоксичностью по сравнению с обычной флуоресцентной съёмкой.

Для истории микроскопии это важный поворотный момент. Ранее развитие оптических методов в значительной степени концентрировалось на преодолении дифракционного предела и повышении пространственного разрешения. Однако при исследовании живых систем выяснилось, что одного только разрешения недостаточно: нужно видеть не только структуру, но и динамику биологических процессов во времени. Именно эту задачу и решала новая система Бетцига. Она позволяла наблюдать молекулы, клетки и целые эмбрионы в 3D с высокой временной дискретизацией и при этом снижать повреждение образца светом.

Принцип метода заключался в том, что объект освещался очень тонким световым слоем, сформированным не обычным широким пучком, а специальной оптической решёткой из множества интерферирующих лучей. Такая схема давала возможность возбуждать флуоресценцию только в тонкой области фокуса, а значит — уменьшать лишнее освещение вне исследуемого слоя. За счёт этого снижались фотоблекание и фототоксичность, а сами наблюдения можно было вести дольше и быстрее, чем при традиционной флуоресцентной съёмке.

В практическом плане lattice light-sheet microscopy дала исследователям возможность наблюдать процессы, которые раньше было трудно фиксировать в полном объёме: динамику органелл, поведение клеток в развивающихся эмбрионах, перестройку цитоскелета, деление клеток и взаимодействие клеточных структур в объёме. В материалах HHMI и в последующих публикациях прямо отмечалось, что этот подход позволил получать трёхмерные изображения субклеточной активности в реальном времени.

Отдельно важно, что метод быстро вышел за пределы лаборатории разработчиков. Одним из исследователей, работавших с такими системами, стал Томас Кирхаузен из Гарвардской медицинской школы. В его лаборатории lattice light-sheet microscopy и её более поздние модификации использовались для изучения молекулярных и клеточных процессов в живых системах. Это хорошо показывает, что речь шла не о разовой «сенсации», а о действительно значимом технологическом сдвиге в современной биомикроскопии.

Почему эта работа важна для истории микроскопии

Если сверхразрешающие методы, за которые Бетциг получил Нобелевскую премию, радикально улучшили детализацию изображения, то lattice light-sheet microscopy изменила сам подход к наблюдению живых объектов. В центре внимания оказались уже не только отдельные фиксированные кадры, а длительная, щадящая и быстрая четырёхмерная визуализация — в трёх пространственных координатах и во времени. Поэтому в истории микроскопии эту разработку логично рассматривать как переход от борьбы только за разрешение к борьбе за разрешение, скорость и сохранность живого образца одновременно.

Вывод

Публикация Эрика Бетцига 2014 года стала важной вехой не потому, что это было очередное «революционное открытие» в газетном смысле, а потому, что она зафиксировала новый этап развития биологической микроскопии. После Нобелевской премии Бетциг фактически сместил акцент с рекордов по разрешению на задачу наблюдения живых процессов в их естественной динамике. Именно поэтому lattice light-sheet microscopy заняла заметное место в истории современной флуоресцентной микроскопии.