Nyt værktøj kan hjælpe molekylærbiologer med at forstå komplekse processer i celler

Northwestern Engineering-forskere har udviklet en ny platform, der kan afbilde enkelte molekyler i 3-D, tillader dybere prober ind i cellernes indre funktion.

Platformen bruger spektroskopisk enkelt-molekyle lokaliseringsmikroskopi (sSMLM), et værktøj, der samtidigt kan fange den rumlige information af enkelte molekyler og deres spektroskopiske signaturer.

Forskere forbedrede værktøjet ved at kombinere eksisterende sSMLM med et to-spejl system, gør det muligt at afbilde molekyler i 3-D i meget større dybder. Dette nye værktøj kan hjælpe molekylærbiologer med at forstå komplekse processer inde i celler.

"Vores design er relativt nemt at implementere, og vil give os mulighed for at studere molekylære interaktioner meget bedre end før, " sagde Hao Zhang, professor i biomedicinsk teknik og medforfatter til forskningen. "Nu kan vi ikke kun se, hvor molekylerne er, men også hvad de er." Zhang udviklede teknologien sammen med Cheng Sun, lektor i maskinteknik.

Resultaterne blev offentliggjort 21. maj i tidsskriftet Optica . Medforfattere inkluderede Ki-HeeSong, en ph.d. kandidat, og Yang Zhan, en postdoc, begge fra Northwesterns afdeling for biomedicinsk teknik.

Billeddannelse i 3D

I de seneste år, videnskabsmænd og ingeniører har brugt sSMLM til bedre at forstå molekylære interaktioner og cellulære dynamik. Systemet giver information om placeringen af ​​molekyler, og hvordan disse molekyler interagerer med lys, som fortæller forskerne, hvilken type molekyle de ser.

Men systemet fungerer kun i to dimensioner, giver kun et delvist overblik over molekyler og deres interaktioner.

Zhang og Sun ønskede at udvide billeddannelsen til 3-D og udviklede oprindeligt en måde at gøre dette på ved at tilføje en ekstra linse, men fandt ud af, at et par spejle kan opnå samme effekt på en meget mere elegant måde.

Spejlene fungerer ved at indføre en optisk vejlængdeforskel i systemet, der forbedrer den måde, systemet bruger fotoner på. I modsætning til linser, de fleste spejle dæmper ikke lys, der reflekteres, hvilket betyder, at flere fotoner kan bruges til nanoskopisk lokalisering for at skabe et skarpere billede og udvider billeddannelse til 3D-dybdeområde.

Med 3-D nanoskala billeddannelseskapacitet, forskere kan se flere interaktioner ske inden for det intracellulære volumen uden at blive overskygget af overfladen. For eksempel, Zhang, Sol, og deres samarbejdspartnere bruger systemet til at studere den intercellulære fordeling af molekyler, ser på, hvordan RNA transporteres og interagerer med celleorganeller, før det oversættes til proteiner.

"Dette system kan have dybtgående implikationer i molekylærbiologi, " sagde Zhang.

Selvom tidligere molekylære billeddannelsessystemer brugte optiske filtre til at detektere forskellige typer molekyler baseret på deres godt adskilte emissionsfarver, det nye system kan registrere små forskelle i molekylære emissioner fra hvert andet molekyle og analysere spektret for at differentiere dem.

"Vi kan nu farvekode hvert enkelt molekyle, " sagde Sun. "Det er en vigtig styrke."

Forståelse af processer i nanoskala

Næste, forskerne håber at fortsætte med at forfine teknologien, samt bruge det i molekylærbiologiske studier.

De arbejder sammen med samarbejdspartnere for at studere kernens porestruktur og hvordan den er involveret i stamcelledifferentiering, og studerer også depolariseringen af ​​mitokondriemembranen, en begivenhed forbundet med mange sygdomme, herunder synstab hos diabetespatienter. De håber også, at deres teknologi hjælper andre på området.

"Det er et meget elegant design, " sagde Sun. "Systemet kan meget nemt implementeres i andre laboratorier, og den har en smuk præstation."