Stealthy mikroskopi metode visualiserer E. coli sub-cellulære struktur i 3D

En subcellulær verden er blevet åbnet for forskere at studere E coli og andre væv på nye måder, takket være en mikroskopimetode, der stealthily giver tredimensionelle, billeder af høj kvalitet af cellernes indre struktur uden at forstyrre prøven.

Ved at kombinere en ny algoritme med en nyligt udviklet tilføjelsesteknik til kommercielle mikroskoper, forskere ved University of Illinois har skabt en hurtig, ikke-invasiv 3D-metode til visualisering, kvantificere, og studere celler uden brug af fluorescens eller kontrastmidler.

I et papir offentliggjort online i dag i tidsskriftet PLoS ONE , forskerne, der udviklede teknikken, rapporterede, at de var i stand til at bruge den til at visualisere E coli bakterier med en kombination af hastighed, vægt, og opløsning uden sidestykke for en etiketfri metode.

Metoden er baseret på en bredbåndsinterferometrisk teknik kendt som Spatial Light Interference Microscopy (SLIM), der blev designet af Beckman Institute-forsker Gabriel Popescu som et tilføjelsesmodul til et kommercielt fasekontrastmikroskop. SLIM er ekstremt hurtig og følsom i flere skalaer (fra 200 nm og opefter), men som et lineært optisk system, dens opløsning er begrænset af diffraktion.

Ved at anvende en ny dekonvolutionsalgoritme til at hente information om begrænset opløsning med sub-diffraktion fra felterne målt ved SLIM, Popescu og hans medforskere var i stand til at gengive tomografiske billeder med en opløsning ud over SLIM's diffraktionsgrænser. De brugte den sparsomme rekonstruktionsmetode til at gengive 3D rekonstruerede billeder af E coli celler, muliggør etiketfri visualisering af prøverne på subcellulære skalaer.

Sidste år demonstrerede forskerne med succes en ny optisk teknik, der leverer 3D -målinger af komplekse felter kaldet Spatial Light Interference Tomography (SLIT) på levende neuroner og fotoniske krystalstrukturer. I dette projekt udviklede de en ny algoritme til yderligere at udvide de tredimensionelle muligheder ved at udføre dekonvolution på det målte 3D-felt, baseret på modellering af billedet ved hjælp af sparsitetsprincipper. Denne mikroskopi -evne, kaldet dSLIT, blev brugt til at visualisere spolede subcellulære strukturer i E coli celler.

Forskerne sagde, at disse strukturer kun er blevet observeret ved hjælp af specialiserede stammer og plasmider og fluorescens teknikker, og normalt på ikke-levende celler. Disse nye metoder giver en praktisk måde til ikke-invasiv undersøgelse af sådanne strukturer.

Mustafa Mir er første forfatter på papiret og medlem af Popescus Quantitative Light Imaging Laboratory i Beckman. Mir sagde, at studere og forstå den tredimensionelle indre struktur af levende celler er afgørende for at fremme vores forståelse af biologisk funktion.

"At visualisere dem er ekstremt udfordrende på grund af deres lille størrelse og gennemsigtige karakter, "Mir sagde." Denne nye metode, imidlertid, giver en måde at drage fordel af de iboende egenskaber ved disse meget små, transparente celler ikke-invasivt og uden brug af fluorescens teknikker og kontrastmidler.

"Tidligere undersøgelser har således brugt ekstrinsisk kontrast, såsom fluorescens og specialiserede stammer i kombination med komplekse superopløsningsteknikker til sådanne undersøgelser. Dette vil gøre det muligt for biologer at studere subcellulære strukturer, samtidig med at cellen forstyrres minimalt fra dens naturlige tilstand."

Forskerne skrev, at metoden omhandler to store problemer i cellemikroskopi:mangel på kontrast, på grund af cellernes tynde og optisk transparente natur, og diffraktionsbegrænset opløsning.

"Selvom flere sådanne strukturer tidligere er blevet identificeret, der er lidt kendt om deres funktion og adfærd på grund af de praktiske vanskeligheder ved billeddannelse, "konkluderede de." Resultaterne præsenteret her indikerer, at dSLIT kan bruges til at karakterisere og studere en sådan subcellulær struktur på en praktisk og ikke-invasiv måde, åbner døren for en mere dybdegående forståelse af biologien. "