Život koji se odvija u vašim stanicama, u 3D

Da bismo shvatili kako život funkcionira, moramo ga promatrati u akciji, tvrdi stručnjak za bioimaging, Gokul Upadhyayula. On će nas spustiti na staničnu razinu i podijeliti rad koji stoji iza najnovijih mikroskopa koji u tri dimenzije snimaju složeno ponašanje živih organizama - od proždrljivih stanica raka do puzećih imuno-stanica - i ono što nam ta ponašanja otkrivaju o dinamici biologije. Pogledajte kako se život odvija pred vašim očima u nevjerojatno visokoj rezoluciji.

Pokušavati shvatiti život
bez da ga gledate u akciji,

ravno je izvanzemaljcima koji
pokušavaju shvatiti nogometna pravila

iz nekoliko slika utakmice.

Možemo mnogo toga saznati iz ovih slika.

Primjerice, imamo igrače
na polju i izvan njega.

Imamo bend.

Imamo i navijačice
koje se zabavljaju dok gledaju tekmu.

Ali, iako možemo izvući sve te informacije

iz ovih slika,

još uvijek ne možemo
pomoću nje shvatiti pravila igre.

Kako bismo to izveli,

moramo zapravo pogledati cijelu utakmicu.

Mnogo onoga što znamo o tome
kako život funkcionira

dolazi iz gledanja ovakvih slika.

Znanstvenici su uspjeli
skužiti mnogo toga iz slika

ali u konačnici, ako žele
shvatiti kako život funkcionira,

moraju ga gledati u akciji.

A život se u biti događa ovdje,

u pokušajima shvaćanja
kako rade osnovne jedinice života.

A kako bismo mogli to vidjeti,

moramo shvatiti što život jest.

U usporedbi s ovim mravom,

ljudska stanica ima otprilike
sto milijuna puta manji volumen.

Vidite li stanicu odmah do ovog mrava?

Evo je ovdje.

Da bismo promatrali tu stanicu,

moramo nevidljivo učiniti vidljivim,

a to radimo pomoću mikroskopa.

Ne ovih mikroskopa;

oni koje mi radimo izgledaju ovako nekako.

Pomaže što sam ja donekle paparazzi.

Umjesto da slikam ljude,

ja slikam slavne stanice.

Moja dosadašnja karijera

bila je dosta zavojita,

počinjući s mojom dječačkom opsesijom
i strašću za računalne znanosti

koja je onda naglo skrenula
u inženjerstvo,

da bi nedavno

ponovno oštro skrenula
u proučavanje stanične biologije.

To je kombinacija disciplina

koja me dovela do
mjesta na kojem sam sada.

Mogu provoditi
interdisciplinarna istraživanja

s jednim jasnim ciljem.

Ideja je da unaprijedimo
inovaciju i otkrića

spajanjem stručnjaka
iz tih različitih disciplina

da bismo skupa riješili probleme
koje ne možemo riješiti pojedinačno.

Želimo razumjeti stanicu.

Stanica... što je to?

Pa, to je osnovna jedinica života.

Jednostavno rečeno, to je samo vreća.

Vreća u kojoj je
trilijun neživih molekula,

proteina, ugljikohidrata, lipida i masti.

U posljednjih pedeset godina

molekularni biolozi i biokemičari
našli su načine

kako da natjeraju proteine da svijetle.

Poput krijesnica.

Proizvođači mikroskopa
uspjeli su izraditi

sve bolje i bolje instrumente

kako bismo snimili svjetlo
koje odašilju te molekule,

a kompjuterski znanstvenici i matematičari
uspjeli su protumačiti

signale koje su kamere snimile.

Spajanjem tih oruđa,

počinjemo shvaćati
organizaciju ovih molekula

unutar stanica,

kako se organizacija mijenja kroz vrijeme

i to je ono što nas zapravo zanima,

razumijevanje biti života.

Želimo prijeći sa slikanja života,

tradicionalno ograničenog
na dvije dimenzije,

na slikanje života u tri dimenzije.

Kako pretvoriti dvodimenzionalnu sliku
u trodimenzionalnu sliku?

Pa, zapravo je prilično jednostavno.

Skupite niz dvodimenzionalnih slika

uzorka koji se pomiče gore-dolje,

i onda složimo slike jednu na drugu,

i stvorimo trodimenzionalni volumen.

Problem s ovim pristupom
je da tradicionalni mikroskopi

ispuštaju previše energije u sustav.

To znači da ova stanica koju vidite

prima mnogo svjetlosnog toksiciteta,

a to je problem.

Da malo bolje objasnim.

Na primjer,

recimo da se na ovom planetu
život razvio pod samo jednim suncem, da?

Sad recimo da želim promatrati
kupce na ovoj ulici

kako bih shvatio njihove
potrošačke navike:

koliko se dugo zadržavaju pred izlozima,

u koliko dućana uđu,

koliko dugo ostanu u svakom dućanu.

Da sjedim u kafiću i promatram ljude,

nitko ne bi ni primijetio da ih promatram.

Sad, što ako ih odjednom

obasjam svjetlom ravnim, recimo,

svjetlu pet ili deset sunaca?

Bi li se i dalje ponašali normalno?

Bi li se i dalje zadržavali
vani jednako dugo?

Uvjeravam li se da neće
promijeniti ponašanje

zbog izlaganja tolikoj količini
sunčeve svjetlosti?

Ne.

Većina današnjih mikroskopa,

i konvencionalnih mikroskopa,

ispuštaju između deset i deset tisuća puta
jaču svjetlost od one

kojoj smo izloženi na ovom planetu
na kojem se život zapravo razvio.

Zbog toga,

pa, budući da sam paparazzi za stanice,

zato moram paziti na količinu svjetla

kojom obasjavamo stanicu.

Inače ćemo završiti sa sprženom stanicom.

Ispada da nema

ničeg prirodnog u oštećenoj stanici

čije je ponašanje drastično promijenjeno.

Uzmimo ovu stanicu kao primjer.

Nalazi se na komadiću stakla.

Vidite ove točkice posvuda?

Te točkice su molekularni mehanizmi

koji se skupljaju na površini stanice

i prenose hranu iz okoline u stanicu.

Naš laboratorij koristi tzv. mikroskope
s faznim kontrastom,

koji proizvodi vrlo tanak sloj svjetlosti,

pazeći da ne ošteti stanice

i ne ispusti previše svjetla u sustav.

Tim postupkom

možemo promatrati dinamiku procesa
puno duže

bez preopterećivanja stanica.

Koristili smo tu mikroskopsku tehniku
i instrumente

kako bismo bolje shvatili kako
virusi zaraze stanice.

U ovom primjeru,
izložili smo stanicu rotavirusu.

To je vrlo zarazni patogen
koji godišnje ubije 200 000 ljudi.

Promatrajući ove molekule,
ove virusne čestice,

kako se raspršuju na površini stanice,

možemo shvatiti pravila
po kojima igraju.

Kad shvatimo ta pravila,

možemo ih nadigrati,

bilo putem inteligentnih terapija,

kako bismo ublažili, kontrolirali,
ili čak spriječili virus

da se veže na stanicu.

Dakle, učinili smo nevidljivo vidljivim,

ali ostaje nam pitanje:

Kad možemo vjerovati onome što vidimo?

Sve što sam vam dosad pokazao

bila je stanica prikovana na staklo
ili zarobljena u Petrijevoj zdjelici.

Ali stanice se nisu razvile
na staklu, zar ne?

Nisu se razvile u izolaciji

i nisu se razvile
izvan svog fiziološkog konteksta.

Kako bismo shvatili
prirodno ponašanje stanice,

moramo ih promatrati u akciji
na njihovom terenu.

Promotrimo ovaj složeni sustav.

Ovo je razvijajući embrij zebrice,

gledate stanice koje se organiziraju

kako bi izgradile tkiva,
koja će graditi organske sustave.

Kad ponovno pogledamo film,
vidjet ćete da nakon otprilike 20 sati

počinje formacija oka i repa zebrice.

Ne moramo promatrati ovo
u tako niskoj rezoluciji,

možemo zabilježiti i najsitnije detalje,

i želimo promatrati ovo u tri dimenzije

tijekom minuta, sekunda,
sati, ili čak dana.

Dakle, problem s ovim složenim sustavima

je da izmješamo svjetlost,

ili stanice izmiješaju svjetlost
kojima ih obasjamo,

zbog čega dobijemo vrlo mutnu sliku.

Astronomi su imali isti problem,

ali se kod njih problem pojavio

kad su pokušavali snimiti
svjetlost udaljenih zvijezda

na teleskopima na tlu.

Problem je da kad svjetlost prijeđe
tisuće svjetlosnih godina

i naglo udari u našu turbulentnu atmosferu,

svjetlost se izmiješa.

Na sreću, i oni su našli rješenje za ovo

prije pedeset godina.

Generiraju umjetnu zvijezdu

otprilike 90 kilometara
od Zemljine površine

i koriste njezino svjetlo,

koje prolazi kroz istu turbulentnu
atmosferu kao i svjetlo daleke zvijezde,

tada mogu shvatiti kako se svjetlo miješa,

i uzmu zrcalo promjenjivog oblika

koje kompenzira ili poništava miješanje.

Mi smo uzeli njihove ideje

i implementirali ih u naš
mikroskopski sustav.

Kad to napravite,

možete razjasniti to složeno miješanje

i mućenje do kojeg dolazi

zbog složenosti sustava.

I to radimo sa zebricama.

Volimo zebrice jer su kralješnjaci,
poput nas.

Ali za razliku od nas,
one su većinom prozirne.

To znači da kad ih obasjamo svjetlošću,

možemo promatrati stanične
i podstanične dinamike

u izvanrednoj rezoluciji.

Pokazat ću vam primjer.

Ovaj video prikazuje kralježnicu
i mišiće zebrice.

Možemo promatrati organizaciju stanice,

stotine stanice u ovom slučaju,

sa ili bez optičkih prilagodbi.

Ovim oruđem

možemo vidjeti jasnije nego ikad prije.

U ovom primjeru,

gledajući kako se razvija oko zebrice,

možete vidjeti pomutnju unutar
ovog embrija zebrice.

Možete vidjeti stanice koje plešu okolo.

U ovom primjeru, vidite staničnu diobu.

U drugom primjeru,

vidite stanicu koja pokušava stići nekamo
i gura se pokraj druge stanice.

U posljednjem primjeru, vidite
skroz raspojasanu stanicu

koja mlati svoje susjede.

Zar ne?

Ova tehnologija nam omogućava
da vidimo dublje i jasnije,

gotovo kao da promatramo
pojedinačne stanice na staklu

za koje smo ih prikovali.

Kako bismo pokazali koliko je
tehnologija obećavajuća,

udružili smo se s nekima od
najboljih svjetskih znanstvenika.

Počeli smo postavljati
niz osnovnih pitanja

na kojima upravo radimo.

Na primjer, kako se rak širi tijelom?

U ovom primjeru, vidite
stanice raka dojke

kako migiriraju,

koristeći krvne žile
koje su prikazane u ljubičastoj boji.

U biti koriste žile kao autoput

kako bi se kretale.

Vidite ih kako se guraju kroz žile,

kako se kotrljaju tamo
gdje ima dovoljno prostora.

U jednom primjeru, vidite
nešto što liči na trailer Ridleyja Scotta

za novi nastavak "Aliena."

Ova stanica raka doslovno
pokušava prokopati kroz žilu

kako bi napala drugi dio tijela.

U posljednjem primjeru
koji ću pokazati,

pokušavamo shvatiti kako se razvija uho.

U ovom slučaju, potpuno nas
šišaju puzeći neutrofili.

Te su imuno-stanice stalno u patroli.

Nemaju ni minutu slobodnog vremena.

Neprestano pokušavaju prokljuviti
ima li stranih stanica,

postoji li infekcija.

Osjećaju okolinu, stalno su u pokretu.

Možemo promatrati ove slike i videe

u rezoluciji koja nije bila moguća

sve do sada.

Kao i sa svim novim tehnologijama,

nove mogućnosti prate novi izazovi,

a za nas je najveći bio
kako se nositi s količinom podataka.

Ovi mikroskopi proizvode tonu podataka.

Generiramo između
1 i 3 terabajta podataka na sat.

Da stavim to u kontekst: punimo
dva milijuna disketa svaki sat,

za iskusnije članove naše publike.

(Smijeh)

To je kao otprilike 500 DVD-ova,

ili, za generaciju Z,

punim otprilike tucet iPhonea 11 na sat.

Imamo tonu podataka.

Moramo naći nove načine
kako bismo vizualizirali to.

Moramo pronaći nove načine

kako izvući biološki
relevantne informacije

iz tih skupova podataka.

I najvažnije,

moramo se pobrinuti da
stavimo te napredne mikroskope

u ruke znanstvenika iz čitavog svijeta.

I dijelimo nacrte za
te mikroskope besplatno.

Ali najbitniji dio je

da moramo još jače surađivati
kako bismo postigli učinak.

Povezujemo znanstvenike

koji mogu razviti nova
biološka i kemijska oruđa.

Radimo sa stručnjacima za podatke

i instrumentaciju

kako bismo izgradili i
kontrolirali podatke.

I budući da dijelimo ta oruđa besplatno

za sve akademske i neprofitne organizacije,

također gradimo napredne centre
u kojima ćemo ih staviti,

kako bismo mogli okupiti
stručnjake za mikroskope,

biologe i komputaciju,

i formirati tim koji može riješiti
one vrste problema

koje pojedinačno ne možemo.

Zahvaljujući ovim mikroskopima,

granica znanosti se opet pomiče.

Pa pogledajmo zajedno.

Hvala vam.

(Pljesak)