Mikroskopiteknik afslører cellers 3-D ultrastruktur i nye detaljer

Inde i en celle, tentakler vesikler shuttle last til sortering. DNA omarrangeres i kernen, efterhånden som stamceller differentieres til neuroner. Naboneuroner klamrer sig til hinanden gennem en web-lignende grænseflade. Og en ny mikroskopiteknik viser det hele, i udsøgte detaljer.

Teknikken, kaldet cryo-SR/EM, smelter billeder optaget fra elektronmikroskoper og lysmikroskoper med superopløsning, resulterer i strålende, klare detaljerede visninger af indersiden af ​​celler – i 3-D.

Årevis, videnskabsmænd har undersøgt den mikroskopiske verden inde i celler, udvikle nye værktøjer til at se disse grundlæggende enheder i livet. Men hvert værktøj kommer med en afvejning. Lysmikroskopi gør det nemt at identificere specifikke cellulære strukturer ved at mærke dem med let-at-se fluorescerende molekyler. Med udviklingen af ​​super-resolution (SR) fluorescensmikroskopi, disse strukturer kan ses med endnu større klarhed. Men fluorescens kan kun afsløre nogle få af de mere end 10, 000 proteiner i en celle på et givet tidspunkt, gør det svært at forstå, hvordan disse få forholder sig til alt andet. Elektronmikroskopi (EM), på den anden side, afslører alle cellulære strukturer i billeder i høj opløsning - men at afgrænse en funktion fra alle andre ved EM alene kan være vanskelig, fordi rummet inde i cellerne er så overfyldt.

Kombinationen af ​​de to teknikker giver forskerne et klart billede af, hvordan specifikke cellulære funktioner relaterer sig til deres omgivelser, siger Harald Hess, en senior gruppeleder på Howard Hughes Medical Institutes Janelia Research Campus. "Dette er en meget kraftfuld metode."

Janelia Research Scientist David Hoffman og Senior Scientist Gleb Shtengel stod i spidsen for projektet under ledelse af Hess og Janelia senior fellow Eric Betzig, en HHMI-forsker ved University of California, Berkeley. Arbejdet er beskrevet 16. januar, 2020 i bladet Videnskab .

Først, forskerne fryser celler under højt tryk. Det stopper cellernes aktivitet hurtigt og forhindrer dannelsen af ​​iskrystaller, der kan beskadige celler og forstyrre de strukturer, der afbildes. Næste, forskerne placerer prøver i et kryogent kammer, hvor de afbildes ved 3-D ved superopløsningsfluorescensmikroskopi ved temperaturer mindre end ti grader over det absolutte nulpunkt. Derefter, de er fjernet, indlejret i harpiks, og afbildet i et kraftigt elektronmikroskop udviklet af Hess-laboratoriet. Dette kikkert skyder en stråle af ioner mod cellens overflade, fræser væk lidt efter lidt, mens du tager billeder af hvert nyligt eksponeret lag. Et computerprogram syr derefter billederne sammen til en 3D-rekonstruktion.

Endelig, forskere overlejrer 3-D billeddata fra begge mikroskoper. Resultatet:betagende billeder, der afslører cellernes indre detaljer med en utrolig klarhed.

Ved siden af ​​denne pressemeddelelse er der et par videoer, der illustrerer, hvordan videnskabsmænd bruger teknikken. "Der har allerede været stor interesse, " siger Hess. "Der er så mange flere eksperimenter at lave - en hel verden af ​​celler derude at studere."

1. Kromatinorganisation

Kernen i en neuron ser dramatisk anderledes ud før (venstre) og efter (højre) cellen begynder at påtage sig sin endelige voksenrolle. Når cellen modnes, DNA pakkes om i kernen for at tænde et nyt sæt gener. Disse ændringer afspejles i de forskellige mønstre af grå pletter og farvet fluorescens inde i de to celler. "Teknikken gav et utroligt detaljeret øjebliksbillede af kernens tilstand før og efter differentiering, " siger David Solecki fra St. Jude Children's Research Hospital, der har samarbejdet om projektet.

2. Neurale adhæsioner

Udviklingsneuroner hænger sammen. Denne video viser præcis, hvordan disse celler klæber til hinanden, afslører schweizerost-lignende forbindelser, der hjælper unge neuroner korrekt at migrere til deres sidste steder i nervesystemet. Lilla-og-grønne superopløsningsfluorescensbilleder af adhæsionsproteiner ved disse bindinger korrelerer med elektronmikroskopibilleder (orange), der viser membranens struktur i detaljer.

3. Endosomer

Celler er fyldt med små vesikler ¬¬- membranbundne sække, der hjælper celler med at lagre proteiner, nedbryde mobilaffald, og transportere last. Disse mange varianter af vesikler kan ikke skelnes fra hinanden alene under et elektronmikroskop. Men med cryo-SR/EM, deres særpræg bliver tydelige. Dette klip zoomer ind på endosomer, som shuttle last til forskellige regioner i cellen.