Detekce molekul jako hvězd: nová metoda českých vědců zlepšuje mikroskopii

Tým vědců z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského Akademie věd ČR a spolupracujících univerzit vyvinul novou metodu detekce molekul pro mikroskopii s lokalizací jednotlivých molekul (SMLM). Tato metoda, inspirovaná technikami používanými v astronomii k mapování hvězd, byla publikována v časopise Nature Communications. Využívá principy detekce signálů známé z radarů a astronomie a výrazně zlepšuje přesnost i reprodukovatelnost výsledků SMLM. Tato technologie má uplatnění v molekulární biologii, výzkumu léků a dalších vědeckých oborech.

„SMLM je mikroskopická metoda, která umožňuje pozorování struktur s mnohem větším rozlišením, než klasická optická mikroskopie, a tím otevírá nové možnosti pro studium biologických systémů, proteinů nebo například virů, “ vysvětluje vedoucí výzkumu Vladimíra Petráková. Výsledné mikroskopické obrazy v SMLM vznikají složením tisíců fotografií, z nichž každá zobrazuje pouze část molekul, ze kterých je struktura složená. Snímek tak namísto zobrazované struktury na první pohled připomíná spíš hvězdné nebe, jasné blikající tečky (molekuly) na tmavém pozadí. Pro zobrazení výsledného obrázku je nutné identifikovat tyto molekuly („hvězdy“) na snímku a určit, kde mají střed. Současné metody však vyžadují subjektivní nastavení mnoha parametrů uživateli, což vede k nekonzistentním výsledkům.

„Detekce molekul v SMLM mikroskopii opravdu připomíná hledání objektů ve vesmíru nebo radary,“ vysvětluje první autor studie Miroslav Hekrdla. „V obou případech jde o oddělení skutečných signálů od šumu na pozadí. My jsme nyní adaptovali postup, který se používá v radarech a astronomii již desítky let. Tento způsob detekce hrál například zásadní roli v pozorování gravitačních vln.“

Nová metoda kombinuje pokročilé filtrování s technikou zvanou pravděpodobnostní prahování, která umožňuje uživatelům jednoduše nastavit požadovanou pravděpodobnost falešných detekcí a tím nastavit práh pro identifikaci molekul. Složitá a subjektivní nastavení tak nahrazuje jediný parametr, což usnadňuje práci uživatelům a zlepšuje přesnost výsledků. Metoda, popsaná v článku Optimized Molecule Detection in Localization Microscopy with Selected False Positive Probability, má potenciál standardizovat postupy zpracování dat v SMLM a zásadně zlepšit reprodukovatelnost a kvalitu výsledků z různých laboratoří. 

Obr.: Navržený algoritmus detekce molekul využívá filtrování a pravděpodobnostní prahování. Uživatelé nastavují míru pravděpodobnosti falešně pozitivních detekcí a tím mění detekční práh. Měřítko je jeden mikrometr.