Observerer pattedyrceller med superhurtige bløde røntgenstråler

Forskere har udviklet en ny teknik til at se levende pattedyrceller. Holdet brugte en kraftig laser, kaldet en blød røntgenfri elektronlaser, til at udsende ultrahurtige belysningsimpulser med en hastighed på femtosekunder eller kvadrilliontedele af et sekund.

Hermed kunne de tage billeder af kulstofbaserede strukturer i levende celler for første gang, inden den bløde røntgenstråling beskadigede dem. Raffinerede Wolter-spejle, en type ultrapræcis spejl, blev skabt for at gøre det muligt for mikroskopet at optage billeder med høj rumlig opløsning og et bredt synsfelt.

I fremtiden håber holdet at bruge dette mikroskop til bedre at forstå den dynamiske natur af cellulær biologi. Studiet er publiceret i tidsskriftet Optica .

Der er forskel på bløde røntgenstråler og hårde røntgenstråler. Hårde røntgenbilleder er det, du højst sandsynligt er stødt på, hvis du har været igennem lufthavnsvagten eller har fået et brækket lem. Bløde røntgenstråler er mere typisk begrænset til forskning, fra studier af biologi og kemi til mineraler og meteoritter. Bløde røntgenstråler er i stand til at give kemisk information om prøver og detaljerede billeder på subcellulært niveau, men deres anvendelse har været begrænset på grund af det meget specialiserede udstyr, der kræves, og i biologi, den skade, de forårsager på levende celler.

Et team af forskere har dog konstrueret et nyt blødt røntgenmikroskop, hvorigennem de kunne se levende pattedyrceller for første gang. De var i stand til at tage billeder af kulstofstrukturer i cellerne, som ikke var blevet set før gennem andre instrumenter. Kulstof er et af livets hovedelementer, så dette giver et nyt vindue til en vital del af os selv.

Mikroskopet har to nøglekomponenter:en blød røntgenfri elektronlaser; og meget præcise Wolter-spejle, en type spejl, der er meget udbredt i røntgenteleskoper til observation af rummet. Spejlene blev lavet ved hjælp af teknologi skabt af hovedforfatteren Satoru Egawa, assisterende professor ved Forskningscenteret for Avanceret Videnskab og Teknologi ved University of Tokyo.

"En blød røntgenfri elektronlaser gav pulsbelysning med en hastighed på snesevis af femtosekunder (hvor et femtosekund er en milliontedel af en milliardtedel af et sekund). Den ultrakorte varighed af strålingsimpulserne gjorde det muligt for os at tage et billede før strukturen af ​​den levende celle blev ændret af strålingsskader," forklarede Egawa.

"Vi brugte Wolter-spejle til belysning og billeddannelse. Disse spejle giver et bredt synsfelt, kan modstå bestråling fra de kraftige lasere og udviser ingen farveforvrængning, hvilket gør dem ideelle til at observere prøver ved forskellige bølgelængder."

Selvom bløde røntgenfrie elektronlasere tidligere er blevet brugt til at studere mindre vira og bakterier, var pattedyrsceller for store til at blive studeret på denne måde. Men ved at bruge Wolter-spejle kunne holdet opnå et bredere synsfelt og bruge en tykkere prøveholder, som kunne rumme større celler.

De resulterende billeder viste detaljer om kulstofindhold i cellerne, som ikke var blevet set ved hjælp af andre metoder, såsom elektronmikroskopi og fluorescensmikroskopi.

"Det var overraskende for os at finde en kulstofvej mellem nukleolus (en struktur i cellens kerne, involveret i cellefunktion og overlevelse) og kernemembranen (som omslutter kernen), som ikke var blevet observeret med mikroskoper med synligt lys, " sagde Egawa.

Lysere bløde røntgenfrie elektronlasere er tilgængelige, som ville muliggøre endnu klarere billeder med mindre kornet "støj". Ved at tilføje lysere lasere og mere præcise Wolter-spejle håber holdet at opgradere mikroskopet, så det kan observere flere biokemiske elementer. Dette kunne også hjælpe med at belyse nogle af de vitale reaktioner og interaktioner, der finder sted i levende celler.

Flere oplysninger: Satoru Egawa et al, Observation af pattedyrs levende celler med femtosekund enkeltpulsbelysning genereret af en blød røntgenfri elektronlaser, Optica (2024). DOI:10.1364/OPTICA.515726

Journaloplysninger: Optica

Leveret af University of Tokyo