Nyt Nano3-mikroskop giver mulighed for at se høj opløsning i cellerne

University of California, San Diego's Nanofabrication Cleanroom Facility (Nano3) er den første institution, der fik et nyt FEI Scios dual-beam mikroskop, med en tilpasning til brug ved kryogene temperaturer. Det nye mikroskop vil muliggøre forskning blandt en meget forskelligartet brugerbase, lige fra materialevidenskab til struktur- og molekylærbiologi.

Som Nano3 teknisk direktør Bernd Fruhberger forklarer:"Der er en enorm interesse i at udnytte dette instrument blandt fakulteter fra flere afdelinger. Afdelingerne for Nanoengineering, Materialer og rumfartsteknik, Elektro- og computerteknik, Kemi, Fysik og biologi ved UC San Diego har alle projekter, der har brug for dette værktøj, og har været aktivt involveret i at gøre indkøbet af værktøjet til virkelighed.

"Instrumentet giver state-of-the-art muligheder for tværsnit, forberedelse af sektioner til transmissionselektronmikroskopi og mere, " tilføjer han, "men det, der virkelig adskiller det, er den nye kryokapacitet, hvilket vil gøre det muligt for cellebiologer at se strukturer af biologiske celler i højere opløsning for bedre at forstå, hvordan celler fungerer på et molekylært niveau. Dette kan muligvis bane vejen for nye behandlinger og opdagelse af lægemidler. "

Elizabeth Villa, en ny adjunkt i Institut for Kemi og Biokemi ved UC San Diego, sammen med sine kolleger ved Tysklands Max Planck Institut for Biokemi, tilpassede et fokuseret-ion-stråle-mikroskop til biologiske anvendelser under sine postdoktorstudier. Designet blev vedtaget af det hollandske firma FEI til en første protokol, som Villa vil videreudvikle i UC San Diego i samarbejde med virksomheden.

Villa bemærker, at UC San Diego har en etableret akademisk tradition inden for molekylær billeddannelse - især afspejlet i biokemiker Roger Tsiens arbejde. Tsien vandt Nobelprisen i kemi i 2008 for opdagelsen og udviklingen af ​​det grønne fluorescerende protein, som revolutionerede felterne cellebiologi og neurobiologi ved at give videnskabsmænd mulighed for at kigge ind i levende celler og se deres adfærd i realtid.

"Det, jeg laver, er det samme, " forklarer Villa, "kun jeg bruger elektronmikroskopi, hvilket giver os billeder i højere opløsning. Ideen bag vores metode er at samle mennesker, der laver strukturel biologi, med mennesker, der laver cellebiologi, ved at bruge et nyt værktøj, der vil give os mulighed for at se cellernes strukturer, i høj opløsning, og bedre forstå, hvad molekyler gør."

For at forklare forskellen mellem lysmikroskopi (som gjorde Tsiens arbejde muligt) og hendes arbejde med elektronmikroskopi, Villa påberåber sig en metafor.

"Lysmikroskopi er som at give lanterner til en flok mennesker i en by. Du kan se, hvor disse mennesker er, men du kan ikke se, hvad der foregår omkring dem. Med elektronmikroskopi, du kan se mennesker med lanterner (en celles molekyler), og du kan også se byens vægge og bygninger (cellens struktur). "

Men elektronmikroskopi har sin ulempe. Traditionelt, at være synlig, celler skal forberedes på forhånd ved at tørre og farve dem med, hvad Villa svarer til et "tykt lag maling." Imidlertid, de fleste celler er for tykke til at blive studeret på denne måde, og det er det, der gør Scios -værktøjet til en spilskifter:Det giver Villa mulighed for at omgå pletten og nanomaskinere cellerne for at reducere dem til den tykkelse, der kræves til elektronmikroskopi - omkring et par tiendedele af en mikron - uden at skabe prøveforvrængninger og samtidig bevare kryogen temperaturer (generelt temperaturen af ​​flydende nitrogen).

Tilføjer Villa:"Der er mennesker på campus - som neurovidenskabsprofessor Mark Ellisman - der gør et fantastisk stykke arbejde med at designe og bruge disse typer pletter, men når målet er at få et billede i høj opløsning af cellerne, hvor spørgsmålet indebærer bestemmelse af strukturelle detaljer, du vil undgå at have dette ekstra lag oven på dem. Det ville være som at have et lag maling over dit ansigt og derefter forsøge at tælle, hvor mange øjenvipper du har. Du ville være ude af drift. "

Villa sammenligner processen med at studere celler (typisk eukaryote celler, i hendes tilfælde) ved kryogene temperaturer til at 'flash-fryse' den cellulære 'by' i hendes tidligere metafor.

"Alt i cellen fryser i den position, det var i, så vi kan se bedre, " siger hun. "En ting, jeg har studeret, er noget kendt som det nukleare porekompleks, som er kernens gatekeeper. Det holder DNA inde i kernen og væk fra de andre dele af cellen. Hvis vi skulle tage det ud af cellen helt for at studere det, det ville ikke give ret meget mening derfor er vi nødt til at fryse det på plads.

"Med kryo-elektron tomografi teknikker, vi kan lave 3D -billeder af cellerne kaldet tomogrammer, " fortsætter hun. "Det, jeg gør, svarer nøjagtigt til en CT (computertomografi) scanning, undtagen cellerne er en million gange mindre. Vi kan tage disse 3D -billeder og se dem i (Qualcomm Institutes) StarCAVE eller NexCAVE forstørrede og i farve, og få en endnu bedre fornemmelse af, hvad der foregår."

Villa tilføjer, at en anden fordel ved kryo-elektronmikroskopi er evnen til at udlede celledynamik over tid, "eller hvad vi kalder i fysikken 'ergodicitet'. Jeg kan se på 3, 000 kerneporer frosset på forskellige tidspunkter for at udlede celledynamikken, klassificere alle disse oplysninger og derefter lave forudsigelser. Vi kan derefter lave et lysmikroskopiforsøg in vivo (med en levende celle) og korrelere det, vi ser, med de tidligere data, vi har samlet. "

Villa påpeger, at ved at bruge Scios dual beam til nanomaskinering af biologisk materiale er hun på en måde, "kapring af et værktøj, som materialeforskere hele tiden bruger til nanofabrikation af materialer."

Scios-mikroskopet vil også lette planlagt UC San Diego-ledet forskning i neurodegenerative sygdomme, siger Villa, samt forskning vedrørende kræft og hjertesygdomme.

"Mange slags forstyrrelser eller fænotyper, der kommer fra sygdom eller helbredelse fra sygdom, vil kunne undersøges ved hjælp af Scios-mikroskopet, "bemærker hun." Det er vigtigt at bemærke, at dette er et første skridt, og der er stadig meget arbejde at gøre, men det placerer os et virkelig spændende sted, hvor vi sigter mod at se på molekylære strukturer i deres naturlige kontekst:fra cellen til organismeniveauet. "