Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) разработали новый метод визуализации с использованием однофотонной камеры, который позволяет быстро и одновременно охарактеризовать тысячи молекул. Исследование [опубликовано](https://www.nature.com/articles/s41377-025-01901-2) в журнале Light: Science & Applications.
Новый метод, вдохновлённый техникой визуализации, существующей уже 35 лет, позволяет проводить сверхточные измерения уникальной сигнатуры светового излучения молекулы в масштабе миллиардной доли секунды. Для этого используется однофотонный лавинный диодный (SPAD) датчик, состоящий примерно из миллиона крошечных датчиков, каждый из которых может обнаружить фотон.
Данные анализируются для определения времени жизни флуоресценции молекулы — чрезвычайно короткой задержки между импульсом возбуждающего лазера и флуоресценцией, излучаемой молекулой. Затем отдельные молекулы в образце характеризуются с впечатляющей точностью.
Метод был разработан в лаборатории наномасштабной биологии (LBEN) в сотрудничестве с лабораторией передовой квантовой архитектуры (AQUA) с использованием камеры, разработанной EPFL спин-офф компанией PI Imaging Technology. Это первый шаг к процедурам визуализации, которые позволят учёным изучать поведение конкретных молекул в больших образцах.
В отличие от традиционных методов визуализации
В отличие от традиционных методов визуализации, разработанный LBEN метод обнаруживает молекулы в определённый момент времени сразу после того, как они подверглись импульсу возбуждения, с разрешением в пикосекундном масштабе. Он включает в себя захват чередующихся серий изображений: одного сразу после возбуждения и другого через несколько наносекунд позже. Изображения анализируются для определения времени жизни флуоресценции молекулы.
С помощью SPAD-камеры учёные могут получить точную информацию о тысячах молекул менее чем за минуту, в отличие от часа, необходимого существующим методам. «Наш метод немного менее точен, чем традиционные, но он быстрее и может обнаруживать беспрецедентное количество молекул одновременно», — говорит профессор Александра Раденкович из LBEN. Такая скорость может обеспечить быстрый анализ больших образцов белков.
Для разработки усовершенствованного метода эксперты по обнаружению одиночных молекул тесно сотрудничали с инженерами, специализирующимися на разработке камер. «Например, частота, с которой исходная камера фиксировала изображения, не соответствовала темпу лазерных импульсов», — говорит Натан Ронсерай, учёный из LBEN. «Но наши коллеги из AQUA и инженеры из Pi Imaging быстро адаптировали устройство».
Перспективные результаты
Перспективные результаты команды могут также принести пользу Pi Imaging, учитывая, что ключом к успеху технологии на нишевом рынке часто является совместная работа с университетскими лабораториями. «Мы также работали с лабораторией биомолекулярного моделирования EPFL, возглавляемой Маттео Даль Пераро, и исследовательской группой, возглавляемой Гильермо Акуна в Университете Фрибурга. Они изучают мембранные белки и ДНК оригами соответственно», — говорит Ронсерай.
После того как новый метод исследователей доказал свою эффективность, они начали исследовать ещё одно применение — определение расстояния между молекулами. Они создали технику, основанную на резонансной передаче энергии Фёрстера (FRET). Это механизм, при котором время жизни флуоресценции «донорской» молекулы изменяется, если поблизости находится «акцепторная» молекула.
«Измерение времени жизни флуоресценции пары молекул предоставляет информацию о расстоянии между ними в масштабе всего нескольких нанометров», — говорит Ронсерай. «Текущий подход может быть применён только к небольшим образцам, но наша система может расширить его, чтобы обеспечить быстрое изучение динамических явлений на тысячах молекул».
Выводы команды открывают новые возможности в различных областях науки и техники. «Как и в случае с любой техникой, трудно предсказать её полный потенциал: она, вероятно, будет ограничена только воображением», — отмечает Раденкович. «Одним из перспективных направлений является его потенциал для улучшения мультиплексного анализа, то есть для одновременного измерения нескольких параметров в одном образце. Вероятно, это будет полезно в таких областях, как пространственная транскриптомика, целью которой является измерение экспрессии генов в ткани с сохранением пространственной информации: точного расположения клеток или структур в ткани».
Позволяя одновременно считывать многие виды молекул на протяжении всей жизни, метод может служить мощным дополнением к новым инструментам омиксных технологий высокого разрешения, используемым для изучения различных биологических слоёв организма комплексным и систематическим образом, часто на клеточном или молекулярном уровне.
Предоставлено
[Ecole Polytechnique Federale de Lausanne](https://phys.org/partners/ecole-polytechnique-federale-de-lausanne/)