Forskere bruger røntgendiffraktionsmikroskop til at afsløre 3-D indre struktur af hele cellen

(PhysOrg.com) -- Ved at bruge den nye teknik, forskere var i stand til at identificere 3D-morfologien og strukturen af ​​cellulære organeller, inklusive cellevæggen, vakuole, endoplasmatisk retikulum, mitrokondrier, granulat og nukleolus.

Tredimensionel billeddannelse udvider dramatisk forskernes evne til at undersøge biologiske prøver, giver mulighed for et kig ind i deres indre strukturer. Og de seneste fremskridt inden for røntgendiffraktionsmetoder har hjulpet med at udvide grænsen for denne tilgang.

Mens der er gjort betydelige fremskridt inden for optisk mikroskopi for at bryde diffraktionsbarrieren, sådanne teknikker er afhængige af fluorescerende mærkningsteknologier, som forbyder kvantitativ 3D-billeddannelse af hele indholdet af celler. Kryo-elektronmikroskopi kan afbilde strukturer med en opløsning på 3 til 5 nanometer, men dette virker kun med tynde eller sektionerede prøver.

Og selvom røntgenproteinkrystallografi i øjeblikket er den primære metode, der bruges til at bestemme 3D-strukturen af ​​proteinmolekyler, mange biologiske prøver - såsom hele celler, cellulære organeller, nogle vira og mange vigtige proteinmolekyler - er svære eller umulige at krystallisere, gør deres strukturer utilgængelige. At overvinde disse begrænsninger kræver anvendelse af forskellige teknikker.

Nu, i et blad offentliggjort i dag i Proceedings of the National Academy of Sciences , UCLA-forskere og deres samarbejdspartnere demonstrerer brugen af ​​et unikt røntgendiffraktionsmikroskop, der gjorde det muligt for dem at afsløre den indre struktur af gærsporer. Holdet rapporterer den kvantitative 3-D billeddannelse af en helhed, ufarvede celler med en opløsning på 50 til 60 nanometer ved hjælp af røntgendiffraktionsmikroskopi, også kendt som linseløs billeddannelse.

Forskere identificerede 3D-morfologien og strukturen af ​​cellulære organeller, inklusive cellevæggen, vakuole, endoplasmatisk retikulum, mitrokondrier, granulat og nukleolus. Arbejdet kan åbne en dør til at identificere de individuelle proteinmolekyler inde i hele celler ved hjælp af mærkningsteknologier.

Hovedforfatterne på papiret er Huaidong Jiang, en UCLA-assistentforsker i fysik og astronomi, og John Miao, en UCLA professor i fysik og astronomi. Værket er en kulmination på et samarbejde, der startede for tre år siden med Fuyu Tamanoi, UCLA professor i mikrobiologi, immunologi og molekylær genetik. Miao og Tamanoi er begge forskere ved UCLAs California NanoSystems Institute. Andre samarbejdspartnere omfatter hold på Riken Spring 8 i Japan og Institute of Physics, Academia Sinica, i Taiwan.

"Dette er første gang, at folk har været i stand til at kigge ind i den 3-D indre struktur af en biologisk prøve, uden at skære det i sektioner, ved hjælp af røntgendiffraktionsmikroskopi, " sagde Miao.

"Ved at undgå brug af røntgenlinser, opløsningen af ​​røntgendiffraktionsmikroskopi er i sidste ende begrænset af strålingsskader på biologiske prøver. Brug af kryogene teknologier, 3D-billeddannelse af hele biologiske celler med en opløsning på 5 til 10 nanometer bør være opnåelig, Miao sagde. "Vores arbejde baner derfor en vej for kvantitativ 3-D-billeddannelse af en bred vifte af biologiske prøver ved opløsninger i nanometerskala, der er for tykke til elektronmikroskopi."

Tamanoi forberedte gærsporeprøverne analyseret i denne undersøgelse. Sporer er specialiserede celler, der dannes, når de placeres under næringssultne forhold. Celler bruger denne overlevelsesstrategi til at klare barske forhold.

"Biologer ønskede at undersøge sporens indre strukturer, men tidligere mikroskopiske undersøgelser gav kun oplysninger om overfladeegenskaberne. Vi er meget begejstrede for at kunne se sporen i 3-D", sagde Tamanoi. "Vi kan nu se på strukturen af ​​andre sporer, såsom miltbrandsporer og mange andre svampesporer. Det er også vigtigt at påpege, at gærsporer er af samme størrelse som mange intracellulære organeller i humane celler. Disse kan undersøges i fremtiden."

Siden dens første eksperimentelle demonstration af Miao og samarbejdspartnere i 1999, kohærent diffraktionsmikroskopi er blevet anvendt til billeddannelse af en bred vifte af materialevidenskab og biologiske prøver, såsom nanopartikler, nanokrystaller, biomaterialer, celler, cellulære organeller, vira og kulstofnanorør ved hjælp af røntgen, elektron- og laserfaciliteter over hele verden. Indtil nu, imidlertid, strålingsskadeproblemet og vanskeligheden ved at opnå højkvalitets 3-D diffraktionsmønstre fra individuelle hele celler har forhindret den vellykkede højopløselige 3-D billeddannelse af biologiske celler ved røntgendiffraktion.