UMass Amherst-forskere udvikler nyt mikroskop, så kraftfuldt, at det kan se individuelle molekyler

(PhysOrg.com) -- Forskere finder ud af, at evnen til at se meget små ting -- objekter 20, 000 gange tyndere end et menneskehår -- kan hjælpe med at besvare store biologiske spørgsmål. Det er derfor, Jennifer Ross, en fysiker ved University of Massachusetts Amherst, bygger et nyt mikroskop, der opnår super opløsning, gør det muligt for forskere at se molekyler, der er 100 gange mindre, end de er synlige ved hjælp af traditionel lysmikroskopi.

Forskere finder ud af, at evnen til at se meget små ting - genstande 20, 000 gange tyndere end et menneskehår – kan hjælpe med at besvare store biologiske spørgsmål. Det er derfor, Jennifer Ross, en fysiker ved University of Massachusetts Amherst, bygger et nyt mikroskop, der opnår super opløsning, gør det muligt for forskere at se molekyler, der er 100 gange mindre, end de er synlige ved hjælp af traditionel lysmikroskopi.

Ross er især interesseret i at bruge mikroskopet til at bestemme, hvordan et specialiseret protein kaldet tubulin styrer celledeling. Hun og Patricia Wadsworth, en UMass Amherst biolog, blev for nylig tildelt en $684, 000 tilskud fra National Institutes of Health gennem American Recovery and Reinvestment Act til at udvikle et mikroskop, der inkorporerer to banebrydende fluorescensteknikker, der giver forskere mulighed for at observere og spore individuelle proteinmolekyler. UMass Amherst er det andet universitet i landet, der bruger et af disse, kaldet Stokastisk Optisk Rekonstruktionsmikroskopi (STORM).

Det nye mikroskop, skal bygges inden for det næste år, vil tillade meget større præcision i at identificere objekter – såsom visse cellulære proteiner – ved at lade videnskabsmænd se dem individuelt og se deres bevægelser i realtid. Ross siger, at dette vil hjælpe stort set alle videnskabelige discipliner med at besvare vigtige spørgsmål fra, hvordan neuroner kommunikerer med hinanden i hjernen, som er de mest effektive grønne energikilder.

Særlige fluorescerende tags, der bruges sammen med det nye mikroskop, vil give hende mulighed for at se individuelle molekyler, der styrer celledeling - arbejder i realtid, i levende celler. At se individuelle tubuliner i deres normale miljø burde give hende bedre indsigt i, hvordan processer, de kontrollerer, kan gå skævt. Dette kan bidrage til forskernes forståelse af, hvordan ukontrolleret cellevækst kan føre til kræft.

Indtil nu, observation af individuelle proteiner har involveret at isolere disse proteiner fra de celler, hvori de opererer. Men at observere et enkelt molekyle plukket ud af dets naturlige miljø betyder, at normale interaktioner og adfærd går tabt. "Sådan er cellen ikke i virkeligheden, " siger Ross.

Den første generation af fluorescensproteiner (som for nylig gav opdagere en Nobelpris) hjalp med at løse dette problem ved at tillade videnskabsmænd en vis evne til at se markerede proteiner interagere i realtid inde i celler. Men når mange molekyler er fluorescerende mærket inde i en celle, mængden af ​​lys, de udsender, forhindrer observatører i at se, hvad individuelle proteiner gør, fordi de alle fluorescerer på én gang, skabe et genskin. At mærke alle lignende proteiner i en celle giver et billede, der er for sløret til at give nyttige data.

Den nye tagging-teknik, der bruges med mikroskopet, løser dette problem ved at tilføje en "lyskontakt", der gør det muligt for forskeren at kontrollere den fluorescerende markør. I stedet for at være tændt konstant, fluorescerende tags kan vælges individuelt til at tænde ved hjælp af små mængder lilla lys, så hvert protein kan ses individuelt. Som fysikeren forklarer, når der kun bruges en lille mængde lys, det fungerer som en partikel snarere end en bølge og exciterer kun ét fluorescensmærket molekyle ad gangen.

Yderligere, fluorescens fra disse proteiner varer kun et par sekunder og bliver derefter mørk. Et andet lille sæt proteiner kan tændes med mere lilla lys. Brugt på denne måde, den nye, mere præcist mikroskop kan så skabe et kort over de enkelte proteiner, som er optaget på et højopløsningskamera.

Det nye mikroskop løser også et andet stort problem forbundet med den første generation af lysmikroskoper:Billeder er så slørede, at molekyler ofte ser ud til at være 50 gange deres faktiske størrelse. Dette skyldes den store mængde fluorescens, som hvert mærket protein udsender - forskere kan ikke skelne mellem det virkelige objekt og den uklare lysplet, der omgiver det. Effekten på efterforskere er meget som at spørge om vej til et bestemt kontor og kun få at vide, hvilken bygning det er i, Ross forklarer – uden en nøjagtig placering, svaret er ikke nyttigt.

De nye fluorescensteknikker udnytter det faktum, at det skarpeste lys, der udsendes af objekterne, kommer fra deres centre. Ross og kolleger udviklede en matematisk formel, der kan passe til formen af ​​et enkelt molekyles lysintensitetsmønster. Dette gør det muligt for en computer at lokalisere proteinets centrum inden for 20 milliardtedele af en meter i stedet for 200, få objektet til at se meget mere ud som den faktiske størrelse.

Ross opsummerer, at både fluorescensfotoaktiveret og lokaliseringsmikroskopi (FPALM) og STORM-teknikker, som hun og kolleger perfektionerer, skulle give videnskabsmænd mulighed for at se individuelle molekyler ved at excitere de fluorescerende tags med en lille mængde lys. STORM bruger lidt forskellige farvestoffer, der kan "tunes" til at mærke specifikke molekyler. Ved at mærke forskellige proteiner med forskellige fluorescerende tags, forskere kan også observere dynamikken i flere proteiner samtidigt, ikke muligt i første generations fluorescensmikroskopi.