Naukowcy z Wydziału Medycyny Weterynaryjnej UWM dostąpili tego naukowego wyróżnienia dzięki dzięki Pracowni obrazowania trójwymiarowego komórek i tkanek oraz mikroskopii korelacyjnej. Jest to jedyna taka pracowania w Polsce i jedna z najnowocześniejszych w Europie. Umożliwia badanie komórek z użyciem tzw. objętościowej mikroskopii elektronowej. Prestiżowy magazyn naukowy „Nature” uznał ją jedną z siedmiu najbardziej obiecujących technik badawczych w 2023 r., obok teleskopu Webba. W Kortowie korzysta się z niej już od ponad dwóch lat.

Komórki pełne tajemnic

Naukowcy od dawna wiedzą, jak zbudowana jest komórka i jakie funkcje pełnią jej poszczególne składniki. Dlaczego zatem nie wiedzieli, jak naprawdę wygląda?

– W dotychczas stosownej technice mikroskopii elektronowej zawsze mieliśmy do czynienia z płaskim, bardzo cienkim wycinkiem, który pokazywał budowę fragmentu komórki w dwóch wymiarach. Wygląd całej komórki odtwarzaliśmy na podstawie analizy wielu wycinków, pochodzących z różnych miejsc komórki, opierając się na swej wiedzy, intuicji i… wyobraźni. Przez 60 – 70 lat to musiało wystarczać – wyjaśnia prof. Bogdan Lewczuk, kierownik Katedry Histologii i Embriologii, dziekan Wydziału Medycyny Weterynaryjnej UWM.

W latach 50. XX wieku wprowadzono do laboratoriów biologicznych pierwsze mikroskopy elektronowe, które badany preparat „prześwietlają” wiązką elektronów. Dostarczyły bardzo dużo informacji o budowie komórek i tkanek. Ze względu na sposób działania wymagają bardzo cienkich preparatów, o grubości ok. 60 nanometrów, (1 nanometr = 0,000001 mm), podpartych na specjalnych siatkach. Z przyczyn technicznych preparaty te są bardzo małe, co sprawia, że obserwujemy niewielki wycinek komórki. Tnie się ją w tej technice na skrawki seryjne. Są one tak małe i jest ich tak dużo, że przebadanie ich w mikroskopie elektronowym jest w praktyce niemożliwe. Mogłoby zająć całe życie badacza. Około roku 2004 nastąpił przełom w technice badania struktury komórek. Do obrazowania zaczęto wykorzystywać elektrony wstecznie rozproszone. Umożliwiły one uzyskanie obrazu powierzchni preparatu, który już nie musiał być bardzo cienki i przepuszczalny dla strumienia elektronów. Doskonalenie tej metody zajęło jeszcze około 10 lat i wymagało postępu w przygotowaniu próbek i konstrukcji mikroskopów.

Technika przyszłości na UWM

Pod koniec 2019 r. Wydział Medycyny Weterynaryjnej kupił i zainstalował nowatorskie urządzenia.

– Sercem pracowni jest wysokorozdzielczy skaningowy mikroskop elektronowy wyposażony w detektory elektronów wstecznie rozproszonych o bardzo dużej czułości. Mikroskop ma wiele specyficznych cech budowy i pozwala na badania z użyciem dwóch technik objętościowej mikroskopii elektronowej. Pierwsza z nich polega na tym, że w mikroskopie instaluje się specjalne urządzenie, które za pomocą noża diamentowego usuwa kolejne warstwy o grubości 30 – 50 nm z badanej próbki. Po usunięciu pierwszej warstwy mikroskop tworzy obraz odsłoniętej powierzchni. Następnie usuwa kolejną warstwę i tworzy kolejny obraz. Powtarza to dowolną liczbę razy.

Uzyskujemy w ten sposób stos obrazów. Na przykład: na potrzeby obecnie prowadzonych badań urządzenie w ciągu tygodnia nieustannej pracy wykonało obrazy 900 warstw.

Obraz przestrzenny jądra komórkowego (ciemnoniebieskie), mitochondriów (czerwone) i aparatu Golgiego (szaroniebieski) i siateczki śródplazmatycznej (żółta)

Komputer sprzężony z mikroskopem z poszczególnych warstw układa obraz przestrzenny i w ten sposób możemy poznać kształt nie tylko komórek, ale i wszystkich ich składników oraz wzajemne położenie w przestrzeni – mówi prof. Bogdan Lewczuk.

To niejedyny sposób zbierania danych za pomocą nowoczesnego sprzętu.

– Druga metoda polega na krojeniu bloczka na skrawki seryjne, które są zbierane na taśmie, przypominającej taśmę magnetofonową. Skrawki te wycina ultramikrotom. Następnie, skrawki te są badane w mikroskopie z użyciem detekcji elektronów wstecznie rozproszonych – wyjaśnia dziekan WMW.

Jak zatem wygląda komórka?

Fot. Obraz przestrzenny komórki

Zupełnie nie przypomina kształtem komórki pszczelego plastra, jajka czy jakiejkolwiek regularnej bryły. Każda jest inna, wielokształtna, postrzępiona, niepodobna do niczego, a jeśli już – to do skręconej ścierki. Ani ładna, ani brzydka. Mikroskop dostarcza obrazy w odcieniach szarości. Na ekranie komputera widzimy jednak obrazy przestrzenne i animacje kolorowe. To efekt obróbki komputerowej, którą można wykonać ręczenie lub z użyciem sztucznej inteligencji.

Nauczenie się nowej metody zajęło naukowcom UWM ponad rok. Korzystali także z pomocy ośrodków zagranicznych. Obecnie mają już wyniki badań do kilku pierwszych publikacji. Część wyników przedstawili podczas pierwszej dużej konferencji poświęconej objętościowej mikroskopii elektronowej, która odbyła się w lipcu br. w USA.

Co poszło na pierwszy ogień badań?

– Szyszynka – główny obiekt moich zainteresowań naukowych. Jej struktura jest bardzo skomplikowana przestrzennie. Uzyskane wyniki są niesamowite i już zmieniają nasze wyobrażenie o wielu aspektach budowy tego narządu. W kolejce czekają badania siatkówki i zmienionej chorobowo wątroby - mówi prof. Lewczuk.

Drzwi pracowni otwarte dla badaczy

Dziekan Wydziału Medycyny Weterynaryjnej podkreśla, że pracowania jest otwarta dla innych naukowców. – Czekamy na ciekawe tematy badawcze. Spodziewamy się, że pracy nie zabraknie. Nasze obrazy mogą być również atrakcyjnym obiektem badań dla osób zajmujących się przetwarzaniem i analizą z użyciem sztucznej inteligencji.

Fot. Fragment tkanki o wymiarach 75 x 75 x 15 mikrometrów zobrazowanej z użyciem detekcji elektronów wstecznie rozproszonych

Wyposażenie pracowni daje również inne możliwości niż obrazowanie 3D. Umożliwia także obrazowanie ultrastruktury bardzo dużych skrawków, nawet o wymiarach 2 na 2 mm, które dla klasycznej mikroskopii elektronowej są jak boisko piłkarskie. Pozwala również na obrazowanie tego samego skrawka w mikroskopie fluorescencyjnym i elektronowym, czyli tzw. mikroskopię korelacyjną.

Lech Kryszałowicz

Fot. Rekonstrukcja przestrzenna grupy komórek