Roterende blåt laserlys afslører uanede dynamik i levende celler

Når byer forvandler sig til en farverig verden af ​​lys, når mørket falder på, er det ofte kun muligt at estimere deres konturer, som afhængigt af perspektivet kan henlede opmærksomheden på vigtige detaljer eller trivia. I fluorescensmikroskopi er biologiske celler mærket med fluorescerende farvestoffer og ophidset til at luminescere i specifikke områder ved hjælp af optiske kontakter - som en by om natten. Dette lys er dog normalt for svagt til små, hurtige genstande, eller det går endda ud efter et stykke tid. Dette er kendt som "fluorescensblegning".

Nu har en ny tilgang udviklet af Prof. Dr. Alexander Rohrbach og hans team i Laboratoriet for Bio- og Nano-Fotonik ved Universitetet i Freiburg fundet en måde at gøre de mindste objekter tydeligt synlige uden fluorescens. På denne måde kan cellulære strukturer eller partikler i virusstørrelse observeres 100 til 1.000 gange længere, ti til 100 gange hurtigere og med næsten fordoblet opløsning end med fluorescensmikroskopi. Mens fluorescensmikroskopi optager, hvad man kan kalde "natbilleder" af strukturer, tager ROCS-mikroskopi "dagtidsbilleder" - modsætninger, der kan supplere hinanden fremragende. Rohrbach og hans kolleger beskriver forskellige anvendelser af teknologien i det seneste nummer af Nature Communications .

Blå laserrettet oplyser objektet i en skrå vinkel

Den teknologi, de bruger, er kendt som "Rotating Coherent Scattering" (ROCS) og bruger en hurtigt roterende blå laserstråle. "Vi udnytter adskillige fysiske fænomener, vi kender fra hverdagen," forklarer Rohrbach, "For det første spreder små genstande som molekyler, vira eller cellestrukturer - eller distribuerer - blåt lys mest, som er kendt fra luftmolekylerne i atmosfæren og det vi opfatter som blå himmel." Små genstande spreder og dirigerer cirka ti gange mere blåt lys end rødt lys partikler til kameraet og transmitterer derved værdifuld information.

For det andet målretter ROCS en blå laser i en meget skrå vinkel på de biologiske objekter, fordi dette markant øger kontrast og opløsning. Det kender vi også allerede:Hvis du holder et vinglas i en vinkel i forhold til lyset, er det langt lettere at få øje på snavs eller fingeraftryk. For det tredje belyser forskerne objektet successivt fra hver retning med den skrå laserstråle, fordi belysning fra kun én retning ville producere en masse artefakter.

100 billeder pr. sekund af levende celler

Freiburg-fysikeren og ingeniører fra Institut for Mikrosystemteknik (IMTEK) roterer den skrå laserstråle hundrede gange i sekundet rundt om objektet og producerer derved 100 billeder i sekundet. "Så på ti minutter har vi allerede 60.000 billeder af levende celler, som viser sig at være langt mere dynamiske end hidtil antaget," siger Rohrbach. Dynamiske analyser som denne kræver dog enorm computerkraft til at behandle blot et minuts visuelt materiale. Derfor skulle en række computeralgoritmer og analytiske processer først udvikles, så dataene kunne fortolkes korrekt.

Sammen med sin kollega Dr. Felix Jünger og i samarbejde med forskellige Freiburg-forskningsgrupper var Rohrbach i stand til at demonstrere mikroskopets kapacitet ved hjælp af forskellige cellesystemer:"Vores primære mål var ikke at skabe smukke billeder eller film af den uventede høje dynamiske af celler - vi ønskede at få ny biologisk indsigt." For eksempel gjorde ROCS-teknologien dem i stand til at observere, hvordan mastceller åbner små porer på blot et par millisekunder, når de stimuleres, for at udstøde sfæriske granula med en uforklarlig høj kraft og hastighed. Granulatet indeholder transmitteren histamin, som efterfølgende kan føre til allergiske reaktioner.

Observation af bindingsadfærden af ​​partikler i virusstørrelse

I en anden række eksperimenter var forskerne i stand til at observere, hvordan bittesmå virus-størrelse partikler danser i utrolig hastighed rundt om den robuste overflade af scavenger celler, hvilket tager adskillige forsøg på at finde et bindingspunkt på cellen. Disse observationer tjente som prætests for igangværende undersøgelser om bindingsadfærd af coronavirus.

Derudover er ROCS-teknologien blevet brugt inden for den kollaborative forskningsklynge CRC 1425 om dannelsen af ​​ar i hjertelæsioner. Fibroblaster, det vil sige arvævsceller, danner 100 nanometer tynde rør, såkaldte nano-rør, som er 1.000 gange tyndere end et hår. Ved denne nye teknologi var Jünger og Rohrbach i stand til at opdage, at disse rør vibrerer termisk på en millisekunders skala, men denne bevægelse aftager med tiden. Ifølge matematiske analyser af aktivitet indikerer dette en mekanisk afstivning af nanorørene.

I andre eksperimenter var forskerne endelig i stand til at observere over mange tusinde billeder, hvordan filopodia - "fingrene" på scavengerceller - søger deres miljø efter bytte ved hjælp af en kompleks dither-bevægelse, og hvordan filopodia kan ændre deres cytoskelet ved hidtil ukendte hastigheder. + Udforsk yderligere

Forskere udvikler koncept for feedback-styret optisk pincet