Forskere forstørrer skjulte biologiske strukturer ved at kombinere SRS og ekspansionsmikroskopi

Et forskerhold fra Carnegie Mellon University og Columbia har kombineret to nye billedteknologier for bedre at se en bred vifte af biomolekyler, herunder proteiner, lipider og DNA, på nanoskala. Deres teknik, som kombinerer ekspansionsmikroskopi og stimuleret Raman spredningsmikroskopi, er detaljeret beskrevet i Advanced Science .

Biomolekyler afbildes traditionelt ved hjælp af fluorescerende mikroskopi, men den teknik har sine begrænsninger. Fluorescerende mikroskopi er afhængig af fluorofor-bærende tags til at binde til og mærke molekyler af interesse. Disse tags udsender fluorescerende lys med en bred vifte af bølgelængder; således kan forskere kun bruge 3-4 fluorescerende farver i det synlige spektrum ad gangen til at mærke molekyler af interesse.

I modsætning til fluorescerende mikroskopi visualiserer stimuleret Raman-spredningsmikroskopi (SRS) de kemiske bindinger af biomolekyler ved at fange deres vibrationsfingeraftryk. I denne forstand behøver SRS ikke etiketter for at se de forskellige typer biomolekyler, eller endda forskellige isotoper, i en prøve. Derudover kan en regnbue af farvestoffer med unikke vibrationsspektre bruges til at afbilde flere mål. SRS har dog en diffraktionsgrænse på omkring 300 nanometer, hvilket gør den ude af stand til at visualisere mange af de afgørende nanoskalastrukturer, der findes i celler og væv.

"Hver type molekyle har sit eget vibrationsfingeraftryk. SRS giver os mulighed for at se den type molekyle, vi ønsker, ved at tune ind på den karakteristiske frekvens af dets vibrationer. Noget som at skifte mellem radiostationerne," sagde Carnegie Mellon Eberly Family Associate Professor i Biologiske videnskaber Yongxin (Leon) Zhao.

Zhaos laboratorium har udviklet nye billeddannelsesværktøjer baseret på ekspansionsmikroskopi - en teknik, der løser problemet med diffraktionsgrænser i en bred vifte af biologisk billeddannelse. Ekspansionsmikroskopi tager biologiske prøver og omdanner dem til vandopløselige hydrogeler. Hydrogelerne kan derefter behandles og få dem til at udvide sig til mere end 100 gange deres oprindelige volumen. De udvidede prøver kan derefter afbildes ved hjælp af standardteknikker.

"Ligesom SRS var i stand til at overvinde begrænsningerne ved fluorescensmikroskopi, overvinder ekspansionsmikroskopi begrænsningerne ved SRS," sagde Zhao.

Forskerne fra Carnegie Mellon og Columbia kombinerede SRS og ekspansionsmikroskopi for at skabe Molecule Anchorable Gel-aktiveret Nanoscale Imaging of Fluorescence og stimuleret Raman-spredningsmikroskopi (MAGNIFIERS). Zhaos ekspansionsmikroskopi-teknik var i stand til at udvide prøver op til 7,2 gange, hvilket gjorde det muligt for dem at bruge SRS til at afbilde mindre molekyler og strukturer, end de ville være i stand til uden ekspansion.

I den nyligt offentliggjorte undersøgelse viste forskerholdet, at MAGNIFIERS kunne bruges til højopløsnings metabolisk billeddannelse af proteinaggregater, som dem, der er skabt under tilstande som Huntingtons sygdom. De viste også, at MAGNIFIERS kunne kortlægge placeringen i nanoskala af otte forskellige markører i hjernevæv på én gang.

Forskerne planlægger at fortsætte med at udvikle MAGNIFIERS-teknikken for at opnå højere opløsning og højere gennemløbsbilleddannelse for at forstå patologien af ​​komplekse sygdomme, såsom cancer og hjernesygdomme.

Yderligere studiemedforfattere omfatter:Alexsandra Klimas, Brendan Gallagher, Zhangu Cheng, Feifei Fu, Piyumi Wijesekara og Xi Ren fra Carnegie Mellon; og Yupeng Miao, Lixue Shi og Wei Min fra Columbia. + Udforsk yderligere

Vibrationsmikroskopi går i super opløsning