Представьте, что вы сидите у пруда и слушаете лягушачий хор. Отдельные кваканья не разобрать — только общий шум, который то нарастает, то стихает, когда одни лягушки замолкают, а другие подхватывают. Можно ли по этим изменениям громкости понять, сколько лягушек в пруду?

Именно такую задачу решила команда Funke Lab в Janelia, только вместо лягушек у них были флуоресцентные молекулы, а вместо пруда — пятно света под микроскопом. Когда ученые изучают живые клетки, они часто используют флуоресцентные метки, которые светятся под лазером. Но даже самый мощный микроскоп не может разглядеть каждую молекулу по отдельности — он видит только их общее свечение.

Флуоресцентная метка — это молекула, которая светится при облучении лазером. Ее прикрепляют к другим молекулам, чтобы отслеживать их под микроскопом. Например, так можно увидеть, как белки двигаются в живой клетке.

Результаты опубликованы в издании Nano Letters.

Как и в случае с лягушками, яркость пятна меняется: молекулы то вспыхивают, то гаснут. Исследователи создали алгоритм blinx, который анализирует эти колебания и вычисляет, сколько молекул скрывается в одном пятне.

Раньше подобные методы давали одно число — например, «здесь 10 молекул». Но blinx работает иначе: он показывает распределение вероятностей. То есть может сказать: „Скорее всего, здесь 8–12 молекул, но с вероятностью 5% их может быть 15“. Это важно, потому что иногда данных просто недостаточно для точного ответа.

Как это работает

1. Сначала ученые смоделировали весь путь света — от молекулы до датчика микроскопа.
2. Затем алгоритм подстраивает модель под реальные данные, меняя параметры, пока не добьется максимального совпадения.
3. В итоге blinx не только считает молекулы, но и оценивает надежность результата.

Зачем это нужно

Белки состоят из аминокислот, и если точно знать, сколько определенных молекул в образце, можно определить, какие именно белки присутствуют.

Иногда данные просто не позволяют дать четкий ответ, — говорит Ян Функе, руководитель группы. — Наш метод честно говорит: «Я не уверен».

Разработка алгоритма blinx потребовала совместной работы химиков, физиков и специалистов по машинному обучению.

Только в таком месте, как Janelia, мог родиться такой проект, — отмечает Алекс Хиллсли, ведущий автор исследования.

Метод blinx может серьезно продвинуть биохимию и медицину:

• Точная диагностика — подсчет специфических молекул поможет выявлять болезни на ранних стадиях.
• Исследование белков — можно будет определять состав сложных смесей без дорогостоящих анализов.
• Контроль качества лекарств — проверка чистоты препаратов на молекулярном уровне.

Главный недостаток — метод требует очень точной калибровки оборудования. Малейшие шумы или искажения в микроскопе могут сильно повлиять на результат. Кроме того, алгоритм пока работает только с определенными типами флуоресцентных меток.

Ранее ученые добились нанометрового разрешения с обычным микроскопом.