Жизнь, проходящая внутри ваших клеток и показанная в формате 3D

«Чтобы понять, как устроена жизнь, нужно наблюдать за ней в действии», — говорит Гокул Упадхьяюла, специалист по биовизуализации. Перенося нас на клеточный уровень, он делится работой проходящей на фронте ультрасовременных микроскопов, которые определяют и фиксируют сложное поведение живых организмов в трёх измерениях — от заражения раковых клеток до движения иммунных — и то, что они говорят о динамике биологии. Наблюдайте за жизнью, разворачивающейся перед вашими глазами, с невероятными визуальными эффектами в этом выступлении.

Пытаться понять жизнь,
не наблюдая её в действии, —

это как инопланетянину пытаться понять
правила футбольного матча

всего из пары снимков.

Мы можем понять многое
из этих изображений.

Например, там есть игроки
на поле и вне его зоны.

Есть группа.

Есть даже чирлидеры,
которые веселятся, наблюдая за игрой.

И хотя мы получили эту информацию,

всего лишь просматривая эти картинки,

мы все ещё не можем
сформулировать правила игры.

Чтобы это сделать,

нам нужно наблюдать за игрой в действии.

Многое из того, что мы знаем
об устройстве жизни,

приходит из анализа таких фотографий.

Учёные смогли узнать многое,
рассматривая похожие снимки,

но в конечном итоге, чтобы понять,
как устроена жизнь,

им нужно увидеть её в действии.

Именно здесь и происходит жизнь,

пытаясь понять, как работает
фундаментальная единица жизни.

И чтобы увидеть это,

нам нужно понять, как устроена жизнь.

По сравнению с этим муравьём,

человеческая клетка примерно
в сто миллионов раз меньше по объёму.

Вы видите клетку рядом с этим муравьём?

Она вот здесь.

Чтобы увидеть её,

нам нужно сделать невидимое видимым,

и мы делаем это, строя микроскопы.

Только не такие микроскопы;

те, что мы строим, выглядят примерно так.

Нам помогает то, что я
в каком-то смысле — папарацци.

Только вместо снимков людей

я предпочитаю фотографировать
известные клетки.

Мой собственный карьерный путь
до сегодняшнего момента

был довольно извилистым,

начиная с моей первой детской
одержимости и страсти к информатике,

которые резко перешли
к изучению инженерного дела,

и совсем недавнего

очень резкого перехода к попыткам
понять биологию клетки.

Именно это сочетание дисциплин

привело меня к тому,
чем я занимаюсь сегодня.

Я умею проводить
междисциплинарные исследования

с одной чёткой целью.

Идея в том, чтобы продвигать
инновации и открытия,

объединив экспертов из разных дисциплин,

чтобы работать вместе и решать проблемы,
которые не под силу нам в одиночку.

Сейчас мы заинтересованы
в понимании клетки.

Клетка... что это?

Что ж, это элементарная единица жизни.

Проще говоря, это просто ячейка.

Это ячейка с триллионами
неодушевлённых молекул:

белками, углеводами, липидами и жирами.

И, оказывается, за последние полвека

молекулярные биологи и биохимики
придумали способы,

чтобы подсветить эти белки.

Они загораются, как светлячки.

Разработчики микроскопов научились делать

гораздо лучшие инструменты,

способные уловить свет,
излучаемый этими молекулами,

учёные-информатики и математики
смогли распознать сигналы,

которые записываются с камер.

Объединив эти инструменты,

мы действительно можем понять
организацию молекул

внутри этих клеток,

понять, как она меняется со временем,

и это, по сути, то, что нас интересует, —

понимание сути жизни.

Итак, мы хотим уйти от снимков жизни,

которые обычно были ограничены
двумя измерениями,

к способности изображать жизнь
в трёх измерениях.

Итак, как преобразовать
двумерное изображение в трёхмерное?

Что ж, это довольно просто.

Мы просто создаём серию
двумерных изображений,

перемещая образец вверх и вниз,

а затем мы накладываем
изображения друг на друга

и создаем трёхмерный объём.

Проблема с этим подходом в том,
что традиционные микроскопы

излучают в систему слишком много энергии.

Это означает, что клетка,
которую вы видите здесь,

находится под влиянием
большого количества токсичного света,

и это проблема.

Позвольте пояснить.

Например,

на этой планете жизнь развивалась
только под одним солнцем, так?

Теперь представим, что я хочу изучить
покупателей на этой улице,

чтобы понять их покупательские привычки:

сколько времени они
проводят перед витринами,

сколько магазинов посещают

и сколько времени
они проводят в каждом из них.

И если бы я сидел в кафе
и смотрел на людей,

многие даже бы не заметили,
что я наблюдаю за ними.

А что, если вдруг

я бы сиял эквивалентом, скажем,

света примерно пяти или десяти солнц?

Вели бы они себя по-прежнему, как обычно?

Задерживались ли бы они
на улице так же долго?

Могу ли я действительно верить,
что их поведение не изменилось

от такого количества солнечного света?

Нет.

Большинство современных микроскопов

и обычные микроскопы,

могут излучать от 10 до 10 000 раз
больше солнечного света,

чем есть на нашей планете,
где действительно развивалась жизнь.

Из-за этого,

зная, что я — папарацци для клетки,

нам нужно быть очень осторожными
с точки зрения количества света,

которое мы излучаем на клетку.

Иначе мы её испепелим.

И, оказывается,

нет ничего естественного в попытках
наблюдать за повреждённой клеткой,

чьё поведение было значительно изменено.

Что ж, возьмём для примера эту клетку.

Она находится на стекле.

Видите эти пятна?

Эти пятна представляют собой
молекулярные машины,

которые собираются на поверхности клетки

для того, чтобы иметь возможность
доставлять пищу извне клетки внутрь неё.

Наша лаборатория использует
решетчатую светолистовую микроскопию,

которая излучает очень тонкий слой света,

чтобы не повредить клетки

и не подать в систему слишком много света.

И когда мы это делаем,

мы можем наблюдать
за динамикой процесса гораздо дольше

без особого влияния на сами клетки.

Мы использовали эту технику
и инструменты микроскопии,

чтобы понять, как вирусы заражают клетки.

В этом примере мы подвергли клетку
воздействию ротавируса.

Это чрезвычайно заразный патоген,
ежегодно убивающий более 200 000 человек.

Наблюдая за этими молекулами
и частицами вируса,

как они диффундируют
на поверхности клеток,

мы действительно можем понять правила,
по которым они играют.

И когда мы поймём эти правила,

мы сумеем перехитрить их,

при помощи разумной лекарственной терапии,

чтобы иметь возможность управлять
или даже предотвращать вирус

без привязки к клетке в первую очередь.

Мы сделали невидимое видимым,

но остаётся вопрос:

когда мы сможем поверить в то,
что видим на самом деле?

Всё, что я вам показал до этого момента, —

это клетка, которую держали в плену
на стекле или в чашке Петри.

Что ж, оказывается, клетки изначально
не развивались на стекле. Правильно?

Они не развивались изолированно,

вне своего физиологического контекста.

Чтобы понять естественное
поведение клеток,

мы должны наблюдать за ними
в динамике там, где они зародились.

Итак, давайте посмотрим
на эту сложную систему.

Это развивающийся эмбрион рыбы-зебры,

сейчас вы смотрите на клетки,
которые организуются,

чтобы сформировать ткани
и затем сформировать системы органов.

И когда вы снова посмотрите запись
примерно через 20 часов,

вы увидите формирование
глаза и хвоста рыбы-зебры.

Мы можем наблюдать это
не в таком низком разрешении,

мы можем наблюдать это
в мельчайших подробностях,

и мы хотим видеть это в трёх измерениях

на протяжении минут, секунд,
часов и даже дней.

Проблема с этими сложными системами в том,

что мы искажаем свет

или они искажают свет,
который мы на них направляем,

из-за чего мы получаем
очень размытые изображения.

Оказывается, у астрономов
была похожая проблема,

но у них она возникала,

когда они пытались записать
свет далёких звёзд

на телескопах наземного базирования.

Проблема в том, что когда свет
проходит тысячи световых лет

и затем попадает в нашу
турбулентную атмосферу,

свет искажается.

К счастью, они нашли
решение этой проблемы.

Уже более полувека

они создают искусственную звезду

на высоте около 90 километров
над поверхностью Земли,

и они используют этот свет,

прошедший сквозь ту же
турбулентную атмосферу, как и свет звезды,

чтобы понять, как свет искажается,

затем они берут зеркало,
умеющее менять свою форму,

чтобы компенсировать
или убирать это искажение.

Итак, мы позаимствовали эту идею

и реализовали её с помощью
нашей системы микроскопов.

После этого

можно более или менее
расшифровать искажения

и нечёткость, которые появляются

из-за сложных систем.

И мы делаем это с рыбой-зеброй.

Нам нравятся рыбы-зебры,
потому что они, как и мы, позвоночные.

Но в отличие от нас
они в основном прозрачны.

Это означает, что, подсвечивая их,

мы можем наблюдать клеточную
и субклеточную динамику

в потрясающих деталях.

Позвольте мне показать вам пример.

В этом видео вы видите
позвоночник и мышцы рыбы-зебры.

Мы можем видеть организацию клеток —

сотни клеток в этом конкретном объёме —

при наличии и отсутствии
адаптивной оптики.

С этими инструментами

мы можем видеть всё гораздо
более чётко, чем раньше.

И в этом конкретном примере,

глядя на то, как развивается
глаз у рыбы-зебры,

вы действительно можете увидеть волнение
внутри развивающегося эмбриона.

Итак, вы можете видеть танцующие клетки.

В одном примере вы видите,
как делится клетка.

В другом примере

вы видите, как клетки пытаются занять
свои места и протискиваются мимо других.

В последнем примере вы видите, как клетка
хулиганит по отношению к своим соседям,

нанося по ним удары.

Правильно?

Эта технология позволяет
смотреть глубже и яснее,

почти как если бы мы наблюдали
отдельные клетки на стекле,

где они были заключены.

Чтобы продемонстрировать
перспективность этой технологии,

мы сотрудничаем с некоторыми
лучшими мировыми учёными.

И мы начали задавать ряд
фундаментальных вопросов,

над которым мы сейчас
начинаем работать вместе.

Например, как рак
распространяется по телу?

В этом примере вы видите
клетки рака груди,

которые в основном мигрируют,

используя кровеносные сосуды,
выделенные пурпурным цветом.

Они используют сосуды
в качестве магистралей,

чтобы передвигаться.

Вы можете видеть, как они
протискиваются по сосудам.

Вы можете видеть, как они
катаются там, где есть место.

И в одном примере вы видите что-то,
напоминающее трейлер Ридли Скотта

для следующего фильма «Чужой».

Эта раковая клетка буквально пытается
выбраться из кровеносного сосуда,

чтобы проникнуть в другую часть тела.

В последнем примере я покажу вам,

как мы пытаемся понять,
как развивается ухо.

В этом случае нас поразили
ползучие нейтрофилы.

Эти иммунные клетки
постоянно патрулируют.

Как правило, у них нет выходных.

Они работают постоянно, чтобы обнаружить
какую-нибудь внешнюю опасность,

чтобы понять, есть ли инфекция.

Они сканируют окружающую среду
через постоянное перемещение.

Мы можем рассмотреть
эти изображения и видео

подробнее, чем это
когда-либо было возможно

до сегодняшнего момента.

Как и все новые технологии,

новые возможности порождают
новые проблемы,

и самая большая проблема для нас —
это как обрабатывать такие данные.

Эти микроскопы генерируют массу данных.

Мы генерируем от одного до трёх
терабайт данных в час.

Чтобы представить: мы заполняем
два миллиона гибких дисков каждый час,

для более зрелых зрителей.

(Смех)

Что представляет собой примерно 500 DVD,

и чтобы было понятнее для поколения Z,

это примерно дюжина iPhone 11,
которые я заполняю каждый час.

У нас — масса данных.

Нам нужно найти новые способы
визуализировать её.

Нам нужно найти новые способы

извлекать биологически значимую информацию

из этих наборов данных.

И что важнее всего —

мы хотим убедиться, что можем
поставить эти микроскопы

в руки учёных со всего мира.

При этом дизайны этих микроскопов
мы раздаём бесплатно.

Но самая важная часть:

нам нужно сотрудничать ещё больше,
чтобы что-то изменить.

Мы собираем учёных,

умеющих разрабатывать новые
биологические и химические инструменты.

Мы работаем вместе с аналитиками данных

и приборостроителями,

чтобы уметь создавать данные
и управлять ими.

И так как мы раздаём
эти инструменты бесплатно

всем академическим
и некоммерческим организациям,

мы также строим современные центры
обработки и хранения изображений,

чтобы можно было собрать
группу микроскопистов —

это биологи и компьютерщики,

и создать команду,
способную решать проблемы,

которые не под силу нам в одиночку.

И благодаря этим микроскопам

граница науки снова открыта.

Итак, давайте двигаться вместе.

Спасибо.

(Аплодисменты)