Самые современные микроскопы позволяют изучать биологические объекты с потрясающей детализацией — от молекулярных машин внутри клеток до развития целого организма. Однако многое из того, что движет жизнью на клеточном уровне (сворачивание белков, перемещение грузов между органоидами), происходит в масштабах и с такой скоростью, которые современная передовая микроскопия все еще не может зафиксировать. Устранение этого пробела стало одной из главных проблем в биологических исследованиях, а также в сборе данных, необходимых ИИ-моделям для прогнозирования поведения клеток.
Новая программа Biohub Imaging Residency объединяет ведущих исследователей со всего мира и внедряет их в исследовательские команды для совместного решения этих задач. На данный момент отобрано 18 ученых для работы с командами Biohub в области криоэлектронной томографии, вычислительной визуализации, картирования систем развития, иммунологического наблюдения и других направлений. В рамках соглашения о совместных исследованиях участникам программы выделяется фиксированное финансирование для работы над конкретным проектом.
«У Biohub амбициозные цели, и для их достижения мы хотим привлечь научное сообщество и сотрудничать с экспертами для ускорения инноваций, — говорит Стефани Отте (Stephani Otte), вице-президент Biohub по научным исследованиям в области визуализации. — Главным приоритетом нашей работы в этой сфере является разработка технологий для измерения и картирования сложных систем».
Участники программы и члены их лабораторий тесно сотрудничают с учеными Biohub над проектами, охватывающими широкий спектр задач: от аппаратного обеспечения камер для флуоресцентной микроскопии с измерением времени жизни (FLIM) до схем сжатия петабайтных данных микроскопии и биоэлектрического картирования развивающихся эмбрионов данио-рерио. То, что начиналось как пилотный проект в прошлом году, превратилось в постоянную программу, которая уже приносит значительные технические достижения и способствует глубокому сотрудничеству между институтами и дисциплинами.
Первые успехи
Участники программы уже расширяют пространственные и временные возможности визуализации. Адам Боуман (Adam Bowman) из Института Солка, один из первых участников программы, работает с ученым Biohub Шу-Сянь Шэу (Shu-Hsien Sheu) над созданием системы, способной фиксировать временные интервалы на наносекундном уровне. Они создали электрооптическую версию FLIM (EO-FLIM) нового поколения в формате 3D, которая позволяет фиксировать время жизни флуоресценции молекулы — обычно составляющее несколько миллиардных долей секунды. Поскольку это время может меняться в зависимости от окружения молекулы, она может выступать в роли биологического датчика в ответ на такие условия, как кислотность, концентрация кальция, электрическая активность или белок-белковые взаимодействия.
Боуман и Шэу интегрировали систему EO-FLIM в однообъективный микроскоп с плоскостью светового пуска в Biohub, создав первый микроскоп, способный выполнять сверхбыструю FLIM-визуализацию в трехмерном объеме. Ученые могут использовать эту систему для получения количественной информации о быстрых процессах, которые трудно изучать другими методами, например, для наблюдения за распространением ионов кальция внутри нейрона человека и измерения локализации, времени и силы сигналов. «Это позволяет нам проводить гораздо более точные количественные измерения в биологии, чем это было возможно ранее», — отмечает Боуман.
В то время как работа Боумана фиксирует события, происходящие за миллиардные доли секунды, другая участница программы, Бронвин Лукас (Bronwyn Lucas) из Калифорнийского университета в Беркли, стремится получить более четкое изображение внутри клеток. Лукас совместно с учеными Biohub решила техническую проблему, возникающую при визуализации белков внутри клеток с помощью криоэлектронного микроскопа с лазерной фазовой пластинкой. Проблема заключается в том, что электронный луч создает электрический заряд на образце, что может нарушить юстировку с лазером и ухудшить качество изображения.
После долгих часов работы в лаборатории визуализации Biohub в Редвуд-Сити, а также в лаборатории Холгера Мюллера (Holger Müller) в Калифорнийском университете в Беркли, где в настоящее время находятся единственные в мире две лазерные фазовые пластинки, Лукас и ее команда разработали решение: покрытие образца тонким токопроводящим слоем углерода или алюминия. Это рассеивает положительный заряд и позволяет получать изображения клеточных срезов со стабильным фазовым сдвигом от лазерной фазовой пластинки.
«Мы очень воодушевлены этим, потому что, если мы сможем использовать лазерную фазовую пластинку для получения изображения в фокусе, мы сможем обнаружить белки, которые по крайней мере в два раза меньше тех, что мы находим сейчас, — говорит Лукас. — Я думаю, это изменит подход к постановке задач и проведению научных исследований».
Для обоих проектов научные достижения были лишь частью успеха. Поскольку программа объединяет ученых с взаимодополняющим опытом для решения научных и технологических задач, Боуман считает, что это позволило команде добиться больших результатов.
«По образованию я физик, поэтому сотрудничество имеет решающее значение для определения наиболее важных биологических вопросов для наших инструментов, — говорит Боуман. — Работа в паре с командой Шу-Сянь и группами в Biohub, заинтересованными в разработке биосенсоров, стала по-настоящему мощным опытом, который я рад продолжать».
Лукас также считает совместный характер программы, в рамках которого она и ее команда работали в Biohub, бесценным не только для конкретного проекта.
«Еще одно преимущество этой программы — наличие площадки для обмена идеями с сотрудниками Biohub и другими специалистами, посещающими центр, — говорит Лукас. — Это позволяет нам работать быстрее, что было бы трудно достичь в других условиях».
Эти первые результаты дают представление о работе, которая сейчас ведется в рамках растущего числа проектов участников программы.
«Мы разрабатываем набор технологий визуализации, которые позволят нам охватить временной масштаб в миллиард раз шире и пространственный масштаб в миллиард раз шире, — говорит Скотт Фрейзер (Scott Fraser), президент Biohub по научным исследованиям в области визуализации. — Для этого потребуются достижения в области аппаратного обеспечения, вычислений и биологии, и ни одна лаборатория не сможет справиться с этим в одиночку. Программа Imaging Residency объединяет исследователей для решения конкретных задач, предоставляя им время, инструменты и возможности для тесного сотрудничества, необходимые для превращения перспективных идей в технологии, которые сможет использовать широкое научное сообщество».
Знакомство с новыми участниками Biohub Imaging Residency
Передовая световая и криоэлектронная микроскопия
Адам Боуман (Adam Bowman), Институт Солка. Партнер из Biohub: Шу-Сянь Шэу (Shu-Hsien Sheu). Проект: Разработка флуоресцентного микроскопа с плоскостью светового пуска и измерением времени жизни на базе камеры.
Питер Дальберг (Peter Dahlberg), Стэнфордский университет. Партнер из Biohub: Дэвид Агард (David Agard). Проект: Исследование нелинейной микроскопии с лазерным сканированием структурированного света для передовой криогенной коррелятивной световой и электронной микроскопии.
Бронвин Лукас (Bronwyn Lucas), Калифорнийский университет в Беркли. Партнер из Biohub: Бриджит Каррагер (Bridget Carragher). Проект: Рабочие процессы для эффективного и оптимального использования крио-ЭМ с лазерной фазовой пластинкой для визуализации белков в клетках.
Холгер Мюллер (Holger Müller), Калифорнийский университет в Беркли. Партнер из Biohub: Дэвид Агард (David Agard). Проект: Совместная разработка, характеристика и применение лазерных фазовых пластинок.
Передовая вычислительная визуализация и анализ изображений
Bo Huang, Калифорнийский университет в Сан-Франциско, сотрудник Biohub: Шалин Мета (Shalin Mehta), проект: Бенчмарки и модели для генеративного виртуального окрашивания и обучения представлений
Иво Сбальцарини (Ivo Sbalzarini), Цюрихский университет, сотрудник Biohub: Лоик Ройер (Loïc Royer), проект: Адаптивное представление частиц для сжатия и анализа изображений
Йоханнес Шваб (Johannes Schwab), Университет прикладных наук Куфштайн Тироль, сотрудник Biohub: Дари Киманиус (Dari Kimanius), проект: Учет деформаций при выравнивании и реконструкции для крио-ЭТ
Амит Сингер (Amit Singer), Принстонский университет, сотрудник Biohub: Дэвид Агард (David Agard), проект: Совершенствование анализа гетерогенности в криоэлектронной томографии
Лора Уоллер (Laura Waller), Калифорнийский университет в Беркли, сотрудник Biohub: Шалин Мета (Shalin Mehta), проект: Самокалибровка для динамической вычислительной визуализации без использования меток
Эллен Чжун (Ellen Zhong), Принстонский университет, сотрудник Biohub: Бриджет Каррагер (Bridget Carragher), проект: Нейронные методы для апостериорной (ab initio) реконструкции биомолекулярных структур внутри клеток
nD Imaging: Измерение молекулярных видов и других свойств в клетках
Кэтрин Блиш (Catherine Blish), Стэнфордский университет, сотрудник Biohub: Кир Балла (Keir Balla), проект: Глубокое визуальное профилирование молекул, координирующих разрешение иммунного ответа
Адам Коэн (Adam Cohen), Гарвардский университет, сотрудник Biohub: Лоик Ройер (Loïc Royer), проект: Создание биоэлектрического атласа развития позвоночных
Джен Дионн (Jen Dionne), Стэнфордский университет, сотрудник Biohub: Адриан Хакобо (Adrian Jacobo), проект: Пространственное картирование эмбриогенных сил in vivo с помощью механочувствительных наночастиц
Эрнан Гарсия (Hernan Garcia), Калифорнийский университет в Беркли, сотрудник Biohub: Кир Балла (Keir Balla), проект: Инструменты нового поколения для изучения динамики транскрипции в отдельных клетках у живых данио-рерио
Эрнан Гарсия (Hernan Garcia), Калифорнийский университет в Беркли, сотрудник Biohub: Адриан Хакобо (Adrian Jacobo), проект: Высокопроизводительное создание библиотек вариантов позвоночных животных
Мерлин Ланж (Merlin Lange), INSERM Institut de la Vision, сотрудник Biohub: Лоик Ройер (Loïc Royer), проект: Масштабирование динамического атласа развития данио-рерио: на пути к межвидовой трансляционной программе
Эмма Лундберг (Emma Lundberg), Стэнфордский университет, сотрудник Biohub: Шу-Сянь Шэу (Shu-Hsien Sheu), проект: Количественные измерения сигнальных молекул и метаболитов в первичной ресничке
Люси О’Брайен (Lucy O’Brien), Стэнфордский университет, сотрудник Biohub: Адриан Хакобо (Adrian Jacobo), проект: Пятимерное (5-D) картирование сетей сигналов стволовых клеток для прогнозирования регенерации тканей in vivo
Фрэнсис О’Рейли (Francis O’Reilly), Детская исследовательская больница Св. Иуды, сотрудник Biohub: Клэр Гул (Claire Goul), проект: Структурное картирование белковых комплексов на лизосомах с использованием масс-спектрометрии с химическим сшиванием
Чтобы узнать больше о программе резидентуры Biohub Imaging Residency Program, обращайтесь по адресу residency-team@biohub.org.
