Forskere producerer 3D-kemiske kort over enkelte bakterier

Forskere ved National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)-et amerikansk Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility på DOE's Brookhaven National Laboratory-har brugt ultralette røntgenstråler til at billede enkelte bakterier med højere rumlig opløsning end nogensinde før . Deres arbejde, udgivet i Videnskabelige rapporter , demonstrerer en røntgenbillede teknik, kaldet røntgenfluorescensmikroskopi (XRF), som en effektiv tilgang til at producere 3D-billeder af små biologiske prøver.

"For allerførste gang, vi brugte nanoskala XRF til at billede bakterier ned til opløsningen af ​​en cellemembran, "sagde Lisa Miller, en videnskabsmand ved NSLS-II og en medforfatter af papiret. "Billedceller på membranets niveau er afgørende for at forstå cellens rolle i forskellige sygdomme og udvikle avancerede medicinske behandlinger."

Den rekordstore opløsning af røntgenbillederne blev muliggjort af de avancerede muligheder for Hard X-ray Nanoprobe (HXN) beamline, en eksperimentel station på NSLS-II med ny nanofokuserende optik og enestående stabilitet.

"HXN er den første XRF-strålelinje, der genererer et 3D-billede med denne form for opløsning, "Sagde Miller.

Mens andre billedteknikker, såsom elektronmikroskopi, kan forestille strukturen af ​​en cellemembran med meget høj opløsning, disse teknikker er ude af stand til at levere kemisk information om cellen. På HXN, forskerne kunne producere 3-D kemiske kort over deres prøver, identificere, hvor sporstoffer findes i hele cellen.

"På HXN, vi tager et billede af en prøve i en vinkel, drej prøven til den næste vinkel, tag et andet billede, og så videre, "sagde Tiffany Victor, hovedforfatter af undersøgelsen og en videnskabsmand ved NSLS-II. "Hvert billede viser prøvens kemiske profil i den retning. Derefter, vi kan flette disse profiler sammen for at skabe et 3D-billede. "

Miller tilføjede, "At få et XRF 3-D-billede er som at sammenligne et almindeligt røntgenbillede, du kan få på lægehuset, med en CT-scanning."

Billederne produceret af HXN afslørede, at to sporstoffer, calcium og zink, havde unikke rumlige fordelinger i bakteriecellen.

"Vi mener, at zink er forbundet med ribosomerne i bakterierne, "Sagde Victor." Bakterier har ikke mange cellulære organeller, i modsætning til en eukaryotisk (kompleks) celle, der har mitokondrier, en kerne, og mange andre organeller. Så, det er ikke den mest spændende prøve til billede, men det er et dejligt modelsystem, der demonstrerer billedteknikken fremragende. "

Yong Chu, hvem er den ledende stråleforsker ved HXN, siger, at billeddannelsesteknikken også kan anvendes på mange andre forskningsområder.

"Denne 3D-kemiske billeddannelse eller fluorescens-nanotomografiteknik vinder popularitet på andre videnskabelige områder, "Sagde Chu." F.eks. vi kan visualisere, hvordan den interne struktur af et batteri ændrer sig, mens det oplades og aflades. "

Ud over at bryde de tekniske barrierer for røntgenbilledopløsning med denne teknik, forskerne udviklede en ny metode til billeddannelse af bakterierne ved stuetemperatur under røntgenmålingerne.

"Ideelt set XRF-billeddannelse bør udføres på frosne biologiske prøver, der er kryokonserverede for at forhindre strålingsskader og for at opnå en mere fysiologisk relevant forståelse af cellulære processer, "Sagde Victor." På grund af pladsbegrænsningerne i HXNs prøvekammer, vi var ikke i stand til at studere prøven ved hjælp af en kryostage. I stedet, vi indlejrede cellerne i små natriumchloridkrystaller og afbildede cellerne ved stuetemperatur. Natriumchloridkrystallerne bevarede cellernes stavlignende form, og de gjorde cellerne lettere at finde, reducere driftstiden for vores eksperimenter. "

Forskerne siger, at demonstration af effektiviteten af ​​røntgenbillede teknik, såvel som prøveforberedelsesmetoden var det første skridt i et større projekt til billeddannelse af sporstoffer i andre biologiske celler på nanoskalaen. Holdet er især interesseret i kobbers rolle i neurondød i Alzheimers sygdom.

"Sporelementer som jern, kobber, og zink er ernæringsmæssigt vigtigt, men de kan også spille en rolle ved sygdom, "Miller sagde." Vi søger at forstå den subcellulære placering og funktion af metalholdige proteiner i sygdomsprocessen for at hjælpe med at udvikle effektive terapier. "