Nyt mikroskop afslører ultrastruktur af celler

Tyske forskere ved Helmholtz-Zentrum Berlin har udviklet et nyt røntgen-nanotomografimikroskop. Ved at bruge deres nye system, de kan afsløre strukturerne på de mindste komponenter af pattedyrceller i tre dimensioner.

For første gang, der er ingen grund til at reparere kemisk, farve eller skære celler for at studere dem. I stedet, hele levende celler er hurtigfrosset og studeret i deres naturlige miljø. Den nye metode giver et øjeblikkeligt 3D-billede, derved lukkes et hul mellem konventionelle mikroskopiske teknikker.

Det nye mikroskop leverer et 3D-billede i høj opløsning af hele cellen i ét trin. Dette er en fordel i forhold til elektronmikroskopi, hvor et 3-D billede er samlet ud af mange tynde sektioner. Dette kan tage op til uger for kun én celle. Også, cellen behøver ikke være mærket med farvestoffer, i modsætning til fluorescensmikroskopi, hvor kun de mærkede strukturer bliver synlige. Det nye røntgenmikroskop udnytter i stedet den naturlige kontrast mellem organisk materiale og vand til at danne et billede af alle cellestrukturer. Dr. Gerd Schneider og hans mikroskopihold ved Instituttet for blødt stof og funktionelle materialer har offentliggjort deres udvikling i Naturens metoder .

Med den høje opløsning opnået af deres mikroskop, forskerne, i samarbejde med kolleger fra National Cancer Institute i USA, har rekonstrueret museadenokarcinomceller i tre dimensioner. De mindste detaljer var synlige:den dobbelte membran af cellekernen, nukleare porer i atomhylsteret, membrankanaler i kernen, talrige invaginationer af den indre mitokondriemembran og indeslutninger i celleorganeller såsom lysosomer. Sådanne indsigter vil være afgørende for at kaste lys over indre-cellulære processer:såsom hvordan vira eller nanopartikler trænger ind i celler eller ind i kernen, for eksempel.

Det er første gang, den såkaldte ultrastruktur af celler er blevet afbildet med røntgenstråler med en sådan præcision, ned til 30 nanometer. Ti nanometer er omkring en ti tusindedel af bredden af ​​et menneskehår. Ultrastruktur er den detaljerede struktur af en biologisk prøve, der er for lille til at kunne ses med et optisk mikroskop.

Forskere opnåede denne høje 3D-opløsning ved at belyse de små strukturer af det frosne-hydrerede objekt med delvist sammenhængende lys. Dette lys er genereret af BESSY II, synkrotronkilden ved HZB. Partiel kohærens er egenskaben ved to bølger, hvis relative fase undergår tilfældige udsving, som ikke er imidlertid, tilstrækkeligt til at gøre bølgen fuldstændig usammenhængende. Belysning med delvist kohærent lys genererer markant højere kontrast for små objektdetaljer sammenlignet med usammenhængende belysning. Ved at kombinere denne tilgang med et objektiv med høj opløsning, forskerne var i stand til at visualisere cellers ultrastrukturer med hidtil uopnået kontrast.

Det nye røntgenmikroskop giver også mulighed for mere plads omkring prøven, hvilket fører til en bedre rumlig visning. Denne plads har altid været stærkt begrænset af opsætningen til prøvebelysningen. Det påkrævede monokromatiske røntgenlys blev skabt ved hjælp af et radialt gitter og derefter, fra dette lys, en membran ville vælge det ønskede område af bølgelængder. Membranen skulle placeres så tæt på prøven, at der næsten ikke var plads til at vende prøven rundt. Forskerne ændrede denne opsætning:Monokromatisk lys opsamles af en ny type kondensator, som direkte oplyser objektet, og membranen er ikke længere nødvendig. Dette gør det muligt at dreje prøven op til 158 grader og observere i tre dimensioner. Disse udviklinger giver et nyt værktøj inden for strukturel biologi til en bedre forståelse af cellestrukturen.