Se detaljer i nanoskala i pattedyrceller

I 2014, W. E. Moerner, Harry S. Mosher professor i kemi ved Stanford University, vandt Nobelprisen i kemi for at have udviklet en måde til billeddannelse af former inde i celler ved meget høj opløsning, kaldet superopløsningsmikroskopi. Nu, han og hans laboratorium har skabt et nyt mikroskop, der producerer 3D-billeder i nanoskala af pattedyrsceller i deres helhed.

"En celle har en hel by af proteiner, enzymer og strukturer, der arbejder hele tiden, "Moerner sagde." Vi har en idé om, hvad der er i en celle - mange af os kender tegninger af mitokondrier eller af det endoplasmatiske nethinde - men det er en gennemsnitlig idé. Når vi ser på individuelle celler, vi erkender, at de alle ikke ligefrem er som de billeder, vi har i lærebøger. "

Moerner-laboratoriet blander kemi, fysik, optik og teknik for at skabe bedre måder at kigge ind i celler for at se de enkelte molekylers funktion. Samarbejde med mange andre laboratorier, gruppen fokuserer på biologiske emner, såsom måling af strukturerne af proteinfibre relateret til Huntingtons sygdom, observere organiseringen af ​​individuelle DNA-strenge i kernen og dokumentere strukturelle ændringer i celler under medicinske behandlinger.

Pandekager og magi

Det nye mikroskop, som forskerne kalder TILT3D, og ​​som blev beskrevet for nylig i et papir, der blev offentliggjort i Naturkommunikation , kombinerer to nye billeddannelsesteknikker med superopløsningsmikroskopi for at fange meget klare 3D-billeder af strukturer og individuelle molekyler i en celle.

En af de to nye teknikker, kendt som tilted light sheet belysning, løser problemer med fokus og funktionalitet, der opstår med eksisterende belysningsteknikker. I de fleste lysmikroskoper, celleprøven lyser nedefra.

"Dette er et problem, hvis du vil undersøge detaljerne i en celle, fordi det fører til visuelt uklare billeder, hvor kun nogle dele er i fokus - som et foto taget over en lang afstand, "sagde Anna-Karin Gustavsson, en postdoc-stipendiat i Moerner-laboratoriet og hovedforfatter af papiret.

Standard lysarkbelysning kommer uden om dette problem ved kun at skinne et stykke lys ind fra siden for at opnå en pandekagelignende belysning af prøven. Selv med denne fordel, hvis du prøver at få et let ark til at skinne på bunden af ​​en celle, det hopper ud af hjørnet af kammeret, der indeholder prøven, som forvrænger billedet. Ved at vippe lysarket, Moerner -laboratoriet undgår at ramme hjørnet.

Ud over at rydde det visuelle rod ved at vippe lysarket, det nye mikroskop inkluderer en optisk metode til billeddannelse i 3-D. For at opnå dette, forskerne mærker molekyler i celleprøven med kemikalier, der fluorescerer, når de tændes, og bruger kemiske tilsætningsstoffer til at få dem til at blinke klart. Derefter, gennem det, Moerner kalder "optisk magi, "gruppen justerer mikroskopet for at konvertere hvert fluorescerende blink til to lyspunkter i forskellige vinkler. Med disse to pletter, forskerne kan få placeringen af ​​hvert molekyle i tre dimensioner, som informerer det sidste 3D-billede.

Stabler deres pandekager 3D-billeder oven på hinanden, forskerne kan skabe en top-til-bund rekonstruktion af en celle. Vinklet lysarkbilleddannelse gør det også muligt at spore 3-D-bevægelse af molekyler over tid med en præcision på snesevis af nanometer, som kunne fange molekylers binding bevæger sig med motorer eller rejser tilfældigt gennem cellens strukturer.

Ved at kombinere TILT3D's klare image og 3D-funktioner med eksisterende superopløsningsteknikker, mikroskopet kan skabe præcise billeder i superopløsning – så små som titusinder af nanometer eller omkring 4, 000 gange mindre end et menneskehår er tykt. Dette åbner op for nye muligheder for at producere detaljerede 3-D billeder af pattedyrs cellestrukturer, selv af dem, der tidligere var for tætte til at se klart billede.

Klar til at dele

Som en del af deres papir, Moerner og hans laboratoriemedlemmer testede med succes deres mikroskop på kendte cellulære strukturer. De går allerede andre laboratorier gennem processen med at kopiere dette mikroskop. Designet kan være en modulær tilføjelse til eksisterende lysmikroskoper. I fremtiden, de håber, at deres 3-D vippede lysarkbelysningsbilleddannelse vil blive brugt til et vilkårligt antal projekter.

"TILT3D er enklere end andre mikroskoper, der er designet til billeddannelse af disse udfordrende prøver, og det kan bruges til billeddannelse af både statiske strukturer og af bevægelige molekyler "sagde Gustavsson, der er delvist støttet af et postdoc-stipendium fra Karolinska Institutet i Sverige. "Vi har designet den til at være alsidig, ikke bundet til et specifikt spørgsmål. "

Forskerne vil fortsætte med at arbejde på TILT3D, især om at kombinere statisk og dynamisk information fra flere forskellige proteiner. Udover deres mange andre innovationer og undersøgelser inden for cellulær billeddannelse, de håber, at denne teknologi kan sætte dem og andre i stand til at lære mere om cellers strukturer og processer, et molekyle ad gangen.