21.09.2019
PL EN
09.09.2019 aktualizacja 09.09.2019

W Polsce działają już dwa pierwsze kriomikroskopy elektronowe

Pojedynczy 'plaster' kriotomogramu komórki E. coli. Źródło: Piotr Szwedziak Pojedynczy 'plaster' kriotomogramu komórki E. coli. Źródło: Piotr Szwedziak

Metoda kriomikroskopii elektronowej - doceniona niedawno przez Komitet Noblowski - daje unikalny wgląd w to, jak wyglądają i działają pojedyncze cząsteczki czy fragmenty komórki. Takie kriomikroskopy uruchomiono już w Krakowie i Warszawie. Korzystać z nich będą mogli naukowcy z całej Polski.

"W naszym laboratorium rozpoczął już działanie kriogeniczny mikroskop elektronowy (cryoEM). To pierwszy tego typu sprzęt w Polsce" - powiedział w rozmowie z PAP dr Tomasz Góral, kierownik warszawskiego laboratorium specjalistycznego (tzw. „core facility”) ReMedy związanego z kriomikroskopią elektronową. We wtorek na UW uroczyście zainaugurowano działanie tego urządzenia.

Tego samego jednak dnia Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS w Krakowie poinformowało w przesłanym PAP komunikacie, że i w krakowskim centrum działa już kriomikroskop elektronowy najwyższej dostępnej obecnie na rynku klasy.

Z obu polskich kriomikroskopów korzystać będą mogli naukowcy z całej Polski.

Warszawski mikroskop działa w ramach międzynarodowej jednostki ReMedy - finansowanej ze środków Fundacji na rzecz Nauki Polskiej w ramach programu Międzynarodowych Agend Badawczych - działającej w obrębie Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego.

A o zakup krakowskiego kriomikroskopu starało się konsorcjum złożone z 18 najlepszych polskich instytucji naukowych pod przewodnictwem Sebastiana Glatta z Małopolskiego Centrum Biotechnologii UJ. Mikroskop został sfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego.

KSZTAŁTNE BIAŁKA

CryoEM służyć ma badaniom z zakresu biologii strukturalnej. Ten obszar nauki pomaga zrozumieć, jak wyglądają i działają elementy, z których składają się komórki organizmów.

Prof. Agnieszka Chacińska, współkierowniczka jednostki ReMedy zauważa w rozmowie z PAP, że biologia strukturalna jest w Polsce bardzo dobrze rozwinięta. Jednak dotąd korzystano w niej z bardziej tradycyjnych metod - krystalografii czy spektroskopii NMR. Metody te zaś mają spore ograniczenia - np. nie pozwalają badać struktur dużych i skomplikowanych, a także struktur w ich macierzystym, komórkowym otoczeniu. A te możliwości daje właśnie cryoEM.

"W zakresie kriomikroskopii elektronowej Polska nie miała dotąd sukcesów - z racji braku sprzętu" - mówi prof. Chacińska.

JAK DZIAŁA cryoEM?

O metodzie kriomikroskopii elektronowej - docenionej w 2017 r. Nagrodą Nobla z chemii - mówi się jako o "resolution revolution" - rewolucji w rozdzielczości. Metodą tą można bowiem uzyskać obrazy struktur biologicznych takich jak białka czy kwasy nukleinowe z atomową rozdzielczością. Przy użyciu tej samej aparatury przeprowadzić można też kriotomografię elektronową, która umożliwia obrazowanie z wielką rozdzielczością bardziej skomplikowanych i unikalnych struktur - całych komórek czy organelli komórkowych. W dodatku struktury nie muszą być modyfikowane genetycznie znacznikami, barwione, krystalizowane czy izolowane ze swojego otoczenia.

W ramach badania próbki błyskawicznie się zamraża w ciekłym etanie (poddaje tzw. witryfikacji, czy też zeszkleniu). Tempo zamrażania jest tak duże, że cząsteczki pozostają w takim ułożeniu, jak w środowisku naturalnym. A zamrożona woda nie nadąża tworzyć kryształków i nie niszczy ich struktur. Tak przygotowaną próbkę naświetla się wiązkami elektronów i uzyskuje obraz struktury o bardzo dobrej rozdzielczości.

MIKROSKOP, KTÓRY DZIAŁA JAK MAGNES... NA NAUKOWCÓW

Agnieszka Chacińska tłumaczy, że dzięki zakupowi nowoczesnego mikroskopu jej placówka stała się atrakcyjniejszym miejscem pracy. Przyciągnąć udało się m.in. dr. Piotra Szwedziaka, który pracował na ETH w Zurychu, a wcześniej - w Cambridge. "Do Polski wróciłem po 11 latach pracy za granicą, bo wreszcie znalazły się fundusze, by zakupić tu kriomikroskop elektronowy. Szczególnie od 2014 r. takie urządzenia stają się ważną częścią praktycznie każdego teamu naukowego zajmującego się biologią strukturalną" - mówi.

I W OGÓLE, I W SZCZEGÓLE...

Dr Szwedziak tłumaczy, że w kriomikroskopii obecne są dwa nurty. Pierwszy z nich polega na analizie tysięcy czy milionów pojedynczych oczyszczonych cząsteczek - np. kompleksów białkowych. Robi się im jakby "satelitarne zdjęcie". Sygnał obecny w pojedynczym zdjęciu jest zbyt słaby, by dokładnie dojrzeć kształty tych cząsteczek. Jeśli jednak pozwoli się algorytmom komputerowym przeanalizować te kształty i uśrednić sygnał pochodzący z tysięcy obrazów pojedynczych cząsteczek - można opracować z dużą dokładnością modele 3D tych cząsteczek oraz tego, jak zmieniają one kształt podczas swojej pracy.

Druga zaś technika - kriotomografia - w której od dekady specjalizuje się dr Szwedziak - pozwala obserwować całe duże struktury - nawet niektóre komórki. Odpowiednio obracając próbkę podczas badania i fotografując ją z każdej strony, można zobaczyć, z czego się ona składa. "W tej technice możemy tam zobaczyć struktury takie jak rybosomy, czy membrany, ale już nie pojedyncze atomy" - mówi.

Techniki te można później połączyć - model 3D uzyskany z kriotomografii wypełniać stopniowo strukturami o większej rozdzielczości.

WARSZAWA + KRAKÓW

Dr Tomasz Góral mówi, że działający już w CeNT 200 kilowoltowy (kV) mikroskop pozwala tworzyć modele molekularne cząsteczek na poziomie 3-4 angstremów (średnica atomu wodoru to 0,5 angstrema; 0,05nm).

W synchrotronie SOLARIS napięcie przyspieszające wyniesie zaś 300 kV, a rozdzielczość będzie jeszcze większa.

"Chcemy współpracować z SOLARISEM i stworzyć wspólnie centrum referencyjne" - mówi dr Góral. Dodaje, że w Warszawie przyjmowane byłyby próbki, aby utworzyć strukturę o średniej rozdzielczości, a w Krakowie badania byłyby uzupełniane tak, aby dojść do rozdzielczości atomowej.

DOSTĘP DO SPRZĘTU

Oba mikroskopy mają być dostępne dla naukowców z całej Polski.

Przedstawiciele krakowskiego SOLARISA deklarują, że dostęp do kriomikroskopu elektronowego, jak i synchrotronu jest bezpłatny dla naukowców zarówno z Polski, jak i zagranicy. Wnioski weryfikowane są przez naukowców pracujących na danej linii lub kriomikroskopie. Następnie aplikację ocenia międzynarodowa komisja i ona przyznaje czas badawczy. Aby skorzystać z krakowskiego synchrotronu należy złożyć wniosek poprzez system Digital User Office (https://duo.synchrotron.pl).

Otwarty na naukowców z innych placówek będzie też kriomikroskop w ReMedy. Choć tu naukowcy muszą się liczyć z opłatami. Prof. Chacińska tłumaczy, że badanie nie jest darmowe, bo samo urządzenie - oraz jego obsługa - kosztują. Wart ok. 8 mln zł mikroskop jest inwestycją Uniwersytetu Warszawskiego, spłacaną przez ReMedy na zasadzie umowy, przypominjącej leasing czy pożyczkę. "Zachęcam naukowców, by aplikowali o możliwość skorzystania z naszego kriomikroskopu" – mówi badaczka.

"W Polsce mamy potężny problem: drogie urządzenia badawcze często stoją nieużywane. Albo ma do nich dostęp tylko wąska grupa naukowców. My mamy inny pomysł" - mówi prof. Chacińska. Dodaje, że w ReMedy przyjęto rozwiązanie, które sprawdziło się w niektórych ważnych jednostkach europejskich - to powszechnie dostępne tzw. core facilities. W tym systemie urządzenie badawcze obsługują nie naukowcy pracujący przy swoich projektach, ale specjalnie zatrudnieni w tym celu specjaliści. "A to, kto z urządzenia korzysta i na jakich zasadach dysponujemy jego czasem, zależy nie od pojedynczego naukowca, ale od tzw. rady użytkowników" - mówi prof. Chacińska.

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ ekr/

Copyright © Fundacja PAP 2019