Forskere flytter grænserne for optisk mikroskopi

Området for optisk mikroskopiforskning har udviklet sig hurtigt i de senere år. Takket være opfindelsen af ​​en teknik kaldet superopløsningsfluorescensmikroskopi, det er for nylig blevet muligt at se selv de mindre dele af en levende celle. Nu, ved at lave en smart forfining af den teknik, forskere ved TU Delft har rykket sine grænser endnu længere. Hvor der tidligere kunne observeres objekter, der måler op til 10-20 nanometer, deres metode gør det muligt at fokusere på strukturer på så små som 3 nanometer på tværs.

Delfts stofhandler og videnskabsmand Antoni van Leeuwenhoeks hjemmelavede mikroskoper havde en opløsning på mindre end en mikrometer, hvilket gjorde ham i stand til at observere strukturer som bakterier og sædceller. Men selv i det syttende århundrede, Van Leeuwenhoek nærmede sig allerede den såkaldte 'diffraktionsgrænse', en teoretisk grænse, ud over hvilken to tilstødende punkter ikke kan skelnes under et optisk mikroskop. Denne grænse bestemmes delvist af bølgelængden af ​​det lys, der anvendes. Ifølge teorien, den maksimale størrelse af det objekt, du kan afbilde ved hjælp af et konventionelt mikroskop, er halvdelen af ​​den bølgelængde. Alt mindre er umuligt at bringe i skarpt fokus.

Diffraktionsgrænsen var længe anset til en hård grænse, bestemt af naturens love. Men ved at anvende smarte tricks, det lykkedes fysikere til sidst at krydse den. For ikke så længe siden, i 2014, Nobelprisen i kemi blev tildelt de tre forskere, der opfandt løsningen, kendt som 'superopløsningsfluorescensmikroskopi'. I denne teknik, visse proteiner eller molekyler gøres fluorescerende ved genetisk modifikation. Det svage lyssignal, de udsender, kan så fanges ved hjælp af et optisk mikroskop. "I praksis, selvom, " siger forsker Bernd Rieger, "Problemet med at gøre proteiner fluorescerende er, at man ikke kan mærke alle dem af en bestemt type. Kun 30-50 procent af dem, højst. Når du så begynder at måle, du ser kun et antal individuelle lyspunkter, ikke den komplette struktur, du prøver at se."

For at løse problemet, Delft-forskerne har udtænkt en tilpasning til superopløsningsmikroskopi. Dette kan sammenlignes med det, der inden for fotografering er kendt som 'compositing':stabling af flere billeder for at skabe et enkelt sammensat billede. "Midling af informationen fra forskellige målinger blev allerede udført i elektronmikroskopi, " forklarer forsker Sjoerd Stallinga. "Men det er en helt anden teknologi. Det tog vores ph.d.-kandidat Hamidreza Heydarian to år at konvertere teknikken til brug i optisk mikroskopi."

Et problem var, at man kombinerede hundreder, hvis ikke tusinder, af 'snapshots' kræver enorme mængder processorkraft. Med en normal computer, det tog flere dage at konstruere et klart billede ud fra alle data. "Heldigvis, " siger Rieger, "tak til computerspilindustrien, vi har adgang til grafikkort, der kan beregne ekstremt godt parallelt." En programmør fra Holland eScience Center i Amsterdam sluttede sig til projektet og konverterede en eksisterende algoritme for normale pc'er til en, som forskerne kunne køre på et sådant grafikkort. Som et resultat , målingerne kan nu kombineres til et enkelt billede inden for få timer.

Denne forskning indsnævrer kløften mellem elektron- og optisk mikroskopi, hvilket er vigtigt, fordi de to teknikker giver forskellige resultater og derfor komplementerer, men er stadig langt fra hinanden i forhold til deres muligheder. "De bedste elektronmikroskoper er 30 til 50 gange stærkere end de bedste optiske, " siger Stallinga. "At bringe de to verdener tættere sammen kan føre til ny biologisk indsigt."

Ifølge forskerne, deres teknik – som allerede opnår opløsninger på tre nanometer niveau – skulle på sigt gøre det muligt at se strukturer, der kun måler én nanometer. under den tærskel, dimensionerne af de fluorescerende mærker bliver en begrænsende faktor.

Resultaterne er blevet offentliggjort i tidsskriftet Naturens metoder .