Под микроскопом: пристальный взгляд на самые опасные вирусы мира

В чем секрет четких снимков возбудителей болезней.

Когда весь мир буквально остановился из-за невидимого врага, взглянуть на несколько фотографий штамма коронавируса (SARS-CoV-2) особенно интересно. Казалось бы, как что-то настолько маленькое и причудливое может стать причиной такого хаоса? Здорово, что у нас есть возможность посмотреть в «лицо врагу» с помощью изображений, которые действительно впечатляют – ведь они сделаны с помощью микроскопа и больше похожи на картинку, чем на настоящую фотографию.

Ниже вы найдете фотографии вирусов и комментарии Майкла Переса, преподавателя биомедицинских фотографических коммуникаций в Школе фотографических искусств и наук Технологического института Рочестера.

^{На фотографии: штамм SARS-CoV-2, который вызывает COVID-19 / Universal Images Group / Getty}

Что стоит за процессом создания этих снимков

Когда вирус обнаружен, его собирают в различных видах и формах, а затем доставляют в безопасное место. Эбола, атипичная пневмония, ВИЧ и многие другие вирусы, которые инфицировали людей, конечно, опасны, но ученые вынуждены с ними бороться, чтобы предотвратить их распространение.

В лаборатории исследователи просматривают вирусы через сканирующий электронный микроскоп (СЭМ), удаляют из них лишнюю влагу, а затем помещают в вакуумную камеру (часть микроскопа) и «обстреливают» их электронами. Дело в том, что отрицательно заряженные частицы отражаются от поверхности биоматериала и захватываются детектором, формирующим изображение, которое можно увидеть и зафиксировать.

Действовать нужно быстро и четко – биологические материалы не могут находиться в микроскопе и «атаковаться» электронами в течение бесконечного количества времени в неизменном состоянии: они будут разрушаться.

Вышеупомянутый СЭМ позволяет увидеть лишь внешнюю оболочку. Чтобы заглянуть внутрь вируса, требуется просвечивающий (трансмиссионный) электронный микроскоп (ПЭМ). Для того чтобы ПЭМ показал нужную картинку, ученые разрезают вирус – для этого им нужно быть очень точными, а также использовать высокотехнологичное оборудование. Затем к биоматериалу добавляют определенные типы пятен тяжелых металлов.

Подобно свету, на биологическом материале тяжелые металлы блокируют или передают электроны, формируя на изображении светлые и темные участки, которые впоследствии фиксируются с помощью цифровых технологий.

В итоге получается черно-белое изображение, после чего приглашается художник, который должен добавить цвета, называемые ложными, или псевдоцветными. Ведь цветное изображение легче для восприятия.

^{На фото: Воссозданные вирусы гриппа 1918 года, полученные Центрами по контролю и профилактике заболеваний США с помощью электронного микроскопа в 2005 году / Cynthia Goldsmith / AP}

Получается, высокотехнологичный процесс сводится к рисованию?

Именно так! Для получения изображения микроскоп использует электроны, а не свет, поэтому процедура довольно дорогостоящая. Отрицательно заряженные частицы слишком малы и видны в масштабе наноструктур, рассмотреть которые можно только с помощью приборов сверхвысокого разрешения («Angstroms»), способных увеличивать объекты в 100 тысяч раз. Простыми словами, устройства позволяют взглянуть на вещи, которые настолько крошечны, что их можно увидеть только через микроскоп.

Если ЭМ-изображения требуют дальнейшего увеличения с сохранением четкости, необходимо сделать полноценную иллюстрацию или производный фрагмент на основе того, что видно на изображении. Таким образом, на привычных нам снимках цвет и другие детали имеют умозрительный характер – на самом деле никто не знает наверняка, как выглядит вирус в цвете. То, что мы видим на изображении, – интерпретация высококвалифицированного иллюстратора.

Естественно, такие иллюстрации сильно отличаются от иллюстраций, используемых в рекламе. На баннерах и плакатах иллюстратор создает предмет так, чтобы заставить его выглядеть определенным образом для повышения продаж или формирования определенных эмоций у покупателей. В науке же дело касается фактов, а не фантастики, поэтому очень подробные иллюстрации используются для передачи информации о том, как на самом деле выглядит настоящий вирус.

^{На фото: Изображение вируса свиного гриппа (H3N2), полученное Центрами по контролю и профилактике заболеваний США в 2011 году / Dr. Michael Shaw, Doug Jordan / AP}

Как этому научиться?

Профессиональное образование в области визуализации осуществляется не в таких масштабах, о которых вы, возможно, могли подумать. На самом деле, не нужно ходить в специальную школу, чтобы научиться пользоваться электронным или световым микроскопом. Эти инструменты используются в науке, и разные организации имеют свой, отличный друг от друга доступ к различному оборудованию.

Так что чаще всего обучение происходит прямо на рабочем месте в виде стажировки. А в Технологическом институте Рочестера, к примеру, есть специальная программа получения ученой степени в области фотографических наук, где можно выбрать курсы по изучению света и сканирующей электронной микроскопии.

Поэтому тот, кто учится на магистерских программах в области биологии, может иметь доступ к сканирующему или просвечивающему микроскопу и другому оборудованию в местах, называемых центрами визуализации.

Но большинство современных ученых, которые работают с высокотехнологичным оборудованием, вероятно, не имеют никакой формальной подготовки. Их ремесло связано с наукой, и они используют микроскоп в качестве инструмента.

Почему ученым важно видеть, как выглядит вирус?

По мнению Майкла Переса, это связано с тем, что, когда люди изучают новые вещи, визуализация помогает им лучше анализировать и впоследствии делать выводы. Это все равно что пытаться описать цвет в словах – сделать это практически невозможно. Цветные изображения помогают ученому описать процедуру, процесс или организм таким образом, к которому невозможно было бы прийти с помощью одних только слов.

«Раскрашенные» иллюстрации позволяют ученым продвигаться вперед в научной области – визуальное представление может послужить основой для последующих исследований, тестов на антитела и других экспериментов.

«Я думаю, легко искать фотографии и принимать как должное, что для всего в этом мире есть изображение. Но важно также уметь признавать, что это не реальность. Это визуализация», – подчеркнул Перес.

^{Изображение штамма SARS-CoV-2, который вызывает COVID-19, предоставленное Национальным институтом здравоохранения США в феврале 2020 года / AP Images}

^{Цветное изображение вируса Эболы, полученное с помощью цветного трансмиссионного электронного микроскопа Центрами по контролю и профилактике заболеваний США / Frederick Murphy / AP}

^{Legionella pneumophila, палочковидная бактерия – возбудитель болезни легионеров (легионеллеза) / Universal Images Group / Getty}

^{Изображение метициллин-резистентного золотистого стафилококка, также известного как CA-MRSA, полученное с помощью цветного сканирующего электронного микроскопа / Universal Images Group / Getty}

Изображение с ПЭМ вируса иммунодефицита человека (ВИЧ), предоставленное Центрами по контролю и профилактике заболеваний США. Конусообразные сердечники разделены в различных направлениях.

^{Бактерии пневмококка (Streptococcus pneumoniae), выращенные на культуре крови. Вызывают пневмококковый менингит / Center for Disease Control / Getty Images}

^{На этом снимке, предоставленном Национальным институтом аллергии и инфекционных заболеваний США, – электронно-микроскопическое изображение бактерий стрептококка группы А (оранжевый цвет) во время фагоцитарного взаимодействия с нейтрофилами человека (синий цвет). Та же бактерия, что вызывает воспаление горла, иногда служит причиной воспалений кровеносной системы или гнойных инфекций / AP Images}

Смотрите также