Ученые EPFL создали микроскоп SPIFFI для 3D-съемки живой клетки за один кадр

Швейцарские исследователи из Инженерной школы EPFL представили технологию, которая меняет сами принципы наблюдения за живой клеткой. Метод SPIFFI (пространственная поляризационно-индуцированная флуоресцентная визуализация), разработанный группой под руководством Александры Раденович, позволяет получать объемное изображение внутриклеточных процессов с одного единственного кадра, а не сшивать его из сотен последовательных снимков. Результаты работы опубликованы в авторитетном журнале Nature Methods.

Корень проблемы, которую решают ученые, лежит в физическом конфликте между скоростью и разрешением. Классическая флуоресцентная микроскопия сверхвысокого разрешения требует длительной экспозиции: чтобы получить четкую картинку, прибор делает тысячи кадров, которые затем объединяются. Этот подход безупречен для химически зафиксированных, то есть мертвых, образцов. Но живые клетки — это хаос движения. Митохондрии делятся и сливаются, микротрубочки вибрируют, молекулы ДНК постоянно меняют конформацию. При длительной съемке эти структуры неизбежно размываются, превращаясь в аморфные пятна, и динамика процесса ускользает от наблюдателя.

SPIFFI обходит это ограничение за счет хитроумной работы со светом. Вместо того чтобы просто собирать флуоресцентный сигнал, система разделяет его на несколько поляризационных каналов. Ключевая идея в том, что ориентация диполей молекул влияет на поляризацию излучения. Анализируя пространственные флуктуации этого сигнала, прибор аппаратно извлекает многомерную информацию о клетке уже после получения единственного снимка с камеры. За счет уменьшенной функции рассеяния точки при поляризованном детектировании разрешение увеличивается без сложных и медленных вычислительных операций пост-обработки.

Практические испытания подтвердили эффективность разработки. Исследователям EPFL удалось в реальном времени зафиксировать процесс слияния наружных мембран митохондрий — событие, которое ранее было практически невозможно отследить в живом образце с высоким разрешением. Система стабильно обеспечивает детализацию объектов размером до 80 нанометров, что достаточно для наблюдения за ключевыми клеточными органеллами и молекулярными комплексами.

Отдельная ценность разработки в том, что SPIFFI не требует создания лаборатории с нуля. Система аппаратно совместима с существующими флуктуационными алгоритмами, что открывает путь к дальнейшему повышению разрешения без замены оборудования. По сути, швейцарская технология сдвигает дифракционный предел, который долгое время считался непреодолимым барьером для оптической микроскопии, и делает возможным наблюдение за процессами, которые ранее можно было изучать лишь косвенно или на фиксированных препаратах. Это шаг от статичных «фотографий» клетки к полноценной съемке ее жизни в реальном времени.

По материалам: iXBT