Ny teknik tilbyder højere opløsning molekylær billeddannelse og analyse

Et forskerhold fra Northwestern University har udviklet en ny metode til at udføre spektroskopisk nanoskopi, en tilgang, der kunne hjælpe forskere med at forstå mere komplicerede biomolekylære interaktioner og karakterisere celler og sygdomme på enkeltmolekyleniveau.

Det nye system, kaldet asymmetrisk spredt spektroskopisk enkelt-molekyle lokaliseringsmikroskopi (SDsSMLM), bygger på eksisterende sSMLM-teknikker udviklet på McCormick School of Engineering for at give mere præcis spektroskopisk enkeltmolekyleanalyse for at studere, hvordan celler bag visse kræftformer, eller sygdomme som diabetisk retinopati, fungerer i deres lokale miljøer.

Mens nuværende spektroskopiske enkeltmolekyle lokaliseringsmikroskopiteknikker opnår superopløsningsbilleddannelse og enkeltmolekylespektroskopi samtidigt, nuværende sSMLM-design lider under reduceret billedopløsning og spektral præcision. Dette skyldes, at systemet deler et begrænset antal udsendte fotoner - atomare partikler, der transmitterer elektromagnetisk lys - mellem to separate kanaler til rumlig og spektral billeddannelse.

"Vi bør ikke være tilfredse med kun at vide, hvor et bestemt molekyle er, eller hvor mange molekyler er uden at differentiere deres egenskaber, " sagde Hao Zhang, professor i biomedicinsk teknik, der ledede forskningen. "Vores tilgang gør os i stand til fuldt ud at bruge alle fotoner fra hver emission til både rumlig billeddannelse og spektralanalyser. Som et resultat, vi forbedrede den rumlige billedopløsning og spektral præcision markant sammenlignet med eksisterende sSMLM-teknikker."

Et papir, der beskriver arbejdet, med titlen "Symmetrisk spredt spektroskopisk enkeltmolekyle lokaliseringsmikroskopi, " blev offentliggjort den 25. maj i tidsskriftet Lys:Videnskab og applikationer . Cheng Sun, professor i maskinteknik, var medforfatter på papiret.

I modsætning til eksisterende sSMLM-tilgange, som ofte bruger et 1:3-forhold til at opdele billeder mellem de rumlige og spektrale kanaler, SDsSMLM forpligter alle tilgængelige fotos til at skabe to spejlede spektrale billeder. Denne tilgang udtrækker spektral information med den højest mulige opløsning. Ud over, fordi billederne er symmetriske, forskere kan stadig identificere rumlig information ved at identificere midtpunktet mellem de to spektrale billeder.

Sammenlignet med en eksisterende sSMLM, der bruger det samme antal fotos, forskerne fandt, at SDsSMLM forbedrede den rumlige præcision med 42 procent og spektral præcision med 10 procent.

"Vi indså, at den rumlige information er totalt overset i det spektrale billede i eksisterende sSMLM-teknikker, " sagde Zhang. "Denne tilgang giver os mulighed for at anvende alle de tilgængelige fotoner til spektralanalyse for at skubbe opløsningsgrænsen og samtidig erhverve rumlig billeddannelse."

Når det bruges sammen med spektroskopiske enkelt-molekyle billeddannelsesteknikker, SDsSMLM kan tilpasses til 3-D cellulær billeddannelse, et væsentligt værktøj inden for cellebiologi og materialevidenskab, der gør det muligt for forskere at spore, hvordan celler interagerer i deres miljøer.

"Denne teknik gælder for alle molekyler, uanset deres emissionsspektre og minimale spektrale variationer, selv blandt de samme arter af molekyler, " sagde Zhang. "Med forbedret rumlig opløsning og spektral præcision, sSMLM vil finde bredere anvendelser i multi-molekyle billeddannelse i celler og tredimensionel sporing for individuelle nanopartikler i biologiske og kemiske undersøgelser."

Ud over systemets avancerede billedbehandlingsfunktioner, SDsSMLMs kompakte natur giver mulighed for nem integration og pålidelig drift med konventionelle fluorescensmikroskopsystemer. Kombineret med et open source plug-in, udviklede forskerne kaldet RainbowSTORM, Zhang håber, at andre medlemmer af det biologiske forskningsmiljø vil inkorporere denne avancerede teknik i deres eget arbejde.

"Vores design er selvstændigt og kan installeres i de fleste mikroskopsystemer, " sagde Zhang. "Vi håber, at andre forskere drager fordel af det, vi har skabt."