Научно-исследовательский центр «ДЕГРО»
В исследовательском центре Челябинской области, в лаборатории «DegroLab» производятся научные изыскания на предмет выявления новых биологических форм жизни. Важным достижением лаборатории стало создание новейшего оборудования, высокого сканирующего микроскопа, который позволяет обнаруживать микроорганизмы там, где раньше это было невозможно. Успешно осваивается практика по изучению структурной информации молекул, которая технически была недоступна в мире до 2021 года. Теперь в России появилось передовое программное обеспечение, техническое оборудование, и в целом новое направление в биохимических исследованиях в научной отрасли.
Первичные материалы и открытия
Открытие
«Органоиды» — это микроорганизмы, которые были выявлены в ходе лабораторных исследований специальным микроскопом «Дегроскоп»
Для того чтобы рассмотреть эти микроорганизмы без микроскопа, была разработана универсальная стекловидная пластина с возможностью хранения на ней необходимой информации. Такие пластины называются «цифровым стеклом». На поверхность пластины наносится информация специальным квантовым лазером, который делает мельчайшее напыление наночастиц с помощью передачи фотонов и ультразвуковых волн. После чего стекло становится материальным цифровым носителем (типа карты памяти microSD). Поверхность стекла способна передавать изображение, как через микроскоп, так и через программный проигрыватель, который может создать копию записи оригинала в цифровом формате. Такую запись в дальнейшем можно будет просмотреть в любом мультимедийном плеере любого устройства или компьютера.
Информация с изображением фиксируются на цифровом стекле для повторного визуального воспроизведения. Такие реконструкции показывают полный цикл созревания и преобразования формы популяций микроорганизмов единым графическим панно.
Материалы
Биологические образцы берутся из геотермальных твёрдых пород, минералов, найденных в разных уголках Земли – например, в жерлах вулканов, около вулканических местностях или покрытой льдом Антарктиде, либо поднятых со дна океанов или морей. А также выявляются и извлекаются из космических небесных тел, таких как метеориты, астероиды, марсианского или лунного грунта, из других тел внеземного происхождения попавших на землю из межпланетного пространства.
Принято считать, что в структурах таких камней (метеоритных пород) не может существовать какая либо форма жизни, но было доказано обратное и оказалось, что все-таки это возможно. Выявлено, что микроорганизмы способны питаться метеоритами, содержащими сульфид железа. Некоторые микроорганизмы оказались невероятно стойкими к воздействию космической радиации и прочим экстремальным факторам. Микроорганизмы способны выживать на метеоритных породах, а также существовать в условиях большой кислотности и температуры с высокими и низкими значениями. Свойственная пористость метеоритов способствует размножению микроорганизмов. Анализы показывают, что клетки микроорганизмов оставляют характерные следы, которые помогают выявлению живых организмов или их остатков на космических телах. Внутри некоторых экземпляров сохранилась высокая биологическая активность, которая была успешно проанализирована. Все эти сведения имеют огромное практическое значение.
Изученные материалы предоставляются вашему вниманию для визуального исследования и ознакомления.
Такие породы можно посмотреть в представленной коллекции:
Абстрактно про Дегроскоп
«Дегроскоп» позволяет создать весь рабочий процесс, который включает в себя все необходимые инструменты для прослеживаемости и воспроизводимости обработки изображений.
В электронной микроскопии можно использовать множество методов.
Популярные методы: электронная кристаллография, анализ двумерных кристаллов, анализ спиральных нитей или трубок, анализ отдельных частиц, криоэлектронная томография, MicroED.
Лаборатория «DegroLab» использует метод анализа двумерных кристаллов, для получения карт высокого разрешения. «Дегроскоп» использует специализированное программное обеспечение. Благодаря внедрению детекторов прямых электронов и лучших вычислительных алгоритмов достигаются высоко-детализированные экспозиции.
Электронная микроскопия стала одним из важнейших инструментов в биологических исследованиях для выявления структурной информации молекул при около атомном разрешении. При анализе одной частицы остеклованный образец визуализируется электронным пучком, и детекторы в конце колонки микроскопа производят пленки этого образца. Данные проходят через рабочий процесс обработки изображений с несколькими шагами, чтобы получить окончательный 2D-реконструированный том.
Том – это генеральная совокупность анализируемых микрофотографий упорядоченных в окончательно завершенный фильм.
Эти фильмы содержат тысячи изображений одинаковых частиц в случайных ориентациях.
Целью рабочего процесса обработки изображений является эталонные сборы, чтобы иметь возможность реконструировать исследуемый образец и все детали фильмов полученных микроскопом к окончательной реконструкции с высоким разрешением молекулярных взаимодействий и биологических ансамблей.
Благодаря недавним достижениям в этой технике визуализации обработка изображений является идентификацией сбора для инверсии процесса визуализации микроскопа и восстановления структуры изучаемого биологического образца. В ходе рабочего процесса обработки изображения следует получить 2D-реконструкцию с высоким разрешением.
Данные, генерируемые микроскопом, собираются в кадры. Кадр содержит количество электронов, которые достигли определенного положения (пикселя) на изображении. Всякий раз, когда используются детекторы подсчета электронов, в определенном поле зрения собирается несколько кадров и это называется фильмом.
Образец и кадры, соответствующие одному и тому же фильму, должны быть усреднены для получения изображения раскрывающего структурную информацию об образце. Кадры со смещенной компенсацией и усредненные кадры, создают микрофотографию.
Как только микроснимки получены, оцениваются аберрации введенные микроскопом для каждого из них, называемые контрастной передаточной функцией (CTF), которая представляет изменения контраста микрофотографии как функцию частоты. Затем частицы могут быть выбраны и извлечены, что называется отбором частиц. Каждая частица должна представлять собой небольшое изображение, содержащее только одну копию исследуемого образца.
Извлеченный набор, обнаруженных на микроснимках используется в процессе классификации, который имеет две цели:
1) очистка набора частиц путем отбрасывания подмножества содержащего чистые шумовые изображения, перекрывающиеся частицы или другие артефакты,
и 2) усредненные частицы, представляющие каждый класс, которые могут быть использованы в качестве начальной информации для расчета начального объема.
Цель состоит в том, чтобы получить структурно однородную популяцию частиц. Первым требованием является получение хороших фильмов из микроскопа.
Большинство сгенерированных классов показывают проекцию молекулы с некоторым уровнем детализации. Однако некоторые из них выглядят шумными.
Наконец, на последних этапах полученную реконструкцию можно отполировать и придать изображению резкости с помощью выборки удаления шумов в качестве дополнительной стадии очистки. После всех этих этапов, процессы трассировки и стыковки помогают придать биологический смысл полученной 2D-реконструкции, путем построения или подгонки существующих моделей.
Когда будет достигнуто высокое разрешение, эти процессы расскажут нам о положении биологических структур в анимационном фильме.
Посмотреть результаты исследований «DegroLab» :