Stor innovation inden for molekylær billeddannelse leverer rumlig og spektral information samtidigt

Ved hjælp af fysisk kemiske metoder til at se på biologi på nanoskalaen, en Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) -forsker har opfundet en ny teknologi til at forestille enkeltmolekyler med en hidtil uset spektral og rumlig opløsning, hvilket fører til det første "ægte farve" superopløsnings mikroskop.

Ke Xu, en fakultetsforsker i Berkeley Labs Life Sciences Division, har døbt sin innovation SR-STORM, eller spektralt opløst stokastisk optisk rekonstruktionsmikroskopi. Fordi SR-STORM giver fuld spektral og rumlig information for hvert molekyle, teknologien åbner døren til billedbehandling i høj opløsning af flere komponenter og lokale kemiske miljøer, såsom pH -variationer, inde i en celle.

Forskningen blev rapporteret i tidsskriftet Naturmetoder i et papir med titlen, "Ultrahøj gennemstrømning af enkeltmolekylær spektroskopi og spektralt opløst superopløselig mikroskopi, "med medforfattere Zhengyang Zhang, Samuel Kenny, Margaret Hauser, og Wan Li, hele UC Berkeley. Xu er også adjunkt ved UC Berkeleys afdeling for kemi.

"Vi måler både position og spektrum for hvert enkelt molekyle, plotte sin superopløste rumlige position i to dimensioner og farve hvert molekyle i henhold til dets spektrale position, så i den forstand, det er ægte farve superopløselig mikroskopi, som er den første af slagsen, "Sagde Xu." Dette er en ny type billeddannelse, kombinerer enkeltmolekylær spektralmåling med superopløselig mikroskopi. "

Hvad mere er, SR-STORM har høj kapacitet, i stand til at levere rumlig og spektral information til millioner af enkeltmolekyler på cirka fem minutter, sammenlignet med flere minutter for en enkelt billedramme omfattende snesevis af molekyler ved anvendelse af konventionelle scanningsbaserede teknikker.

Xu byggede på arbejde, han gjorde som postdoktor ved Harvard sammen med Xiaowei Zhuang, hvem opfandt STORM, en superopløselig mikroskopimetode baseret på enkeltmolekylær billeddannelse og fotoswitching. Ved at udtænke et system med dobbelt objektiv med to mikroskoplinser mod hinanden, Xu og kolleger så på forsiden og bagsiden af ​​prøven på samme tid og opnåede en hidtil uset optisk opløsning (på cirka 10 nanometer) af en celle. Ved hjælp af denne metode til billed neuroner, de viste den aktin, en nøglekomponent i cytoskeletet (cellens rygrad), har en anden struktur i axoner end i dendritter, to dele af en neuron.

Men de nuværende superopløsningsmikroskopiteknikker leverer ikke spektral information, hvilket er nyttigt for forskere at forstå individuelle molekylers adfærd, samt at muliggøre højkvalitets flerfarvet billeddannelse af flere mål.

"Så vi konstruerede et dobbelt-objektivt system, men spredte det enkeltmolekylebillede, der blev indsamlet af en objektivlinse, i spektret, mens vi beholdt det andet billede til lokalisering af enkeltmolekyler, "Sagde Xu." Nu akkumulerer vi samtidig spektret af de enkelte molekyler og også deres position, så vi løste gåde. "

Derefter farvede de prøven med 14 forskellige farvestoffer i et snævert emissionsvindue og ophidsede og fotoforstrengede molekylerne med en laser. Mens spektrene for de 14 farvestoffer er stærkt overlappende, da de er tæt på emission, de fandt ud af, at spektrene for de enkelte molekyler var overraskende forskellige og dermed let identificerbare. "Det er nyttigt, fordi det betyder, at vi havde en måde at lave flerfarvet billeddannelse inden for et meget snævert emissionsvindue, "Sagde Xu.

Ja, ved hjælp af fire farvestoffer til at mærke fire forskellige subcellulære strukturer, såsom mitokondrier og mikrotubuli, de var i stand til let at skelne molekyler af forskellige farvestoffer ud fra deres spektrale middel alene, og hver subcellulær struktur havde en tydelig farve.

"Så ved hjælp af denne metode kan vi se på interaktioner mellem fire biologiske komponenter inde i en celle i tredimensionel og ved en meget høj opløsning på omkring 10 nanometer, "Sagde Xu." Ansøgningerne er for det meste inden for grundforskning og cellebiologi på dette tidspunkt, men forhåbentlig vil det føre til medicinske anvendelser. Dette giver os nye muligheder for at se på cellestrukturer, hvordan de er bygget op, og om der er nogen forringelse af disse strukturer i sygdomme. "

Mange sygdomme skyldes enten et invaderende patogen eller nedbrydning af en celles indre struktur. Alzheimers, for eksempel, kan være relateret til nedbrydning af cytoskelet i neuroner. "Cytoskeletonsystemet består af et væld af interagerende subcellulære strukturer og proteiner, og vores teknik vil muliggøre forskning i interaktionerne mellem disse forskellige mål med et hidtil uset antal farvekanaler og rumlig opløsning, " han sagde.

Næste, Xu forsøger at forfine metoden ved hjælp af et enkelt objektiv system, og få det til at fungere med konventionelle mikroskopsystemer, hvilket gør den mere bredt tilgængelig. Han forsøger også at udvikle passende farvestoffer og sonder til at overvåge det lokale miljø, såsom pH, i levende celler på nanometer skalaen.