Stagedykning med biomolekyler forbedrer optisk mikroskopi

Fysikere fra Dresden og Würzburg har udviklet en ny metode til optisk mikroskopi, opnåelse af billeder i høj opløsning ved hjælp af biologiske motorer og enkelte kvantepunkter.

Opløsningen af ​​konventionel optisk mikroskopi er begrænset af det fundamentale fysiske princip om diffraktion til omkring halvdelen af ​​lysets bølgelængde:Hvis afstanden mellem to objekter er mindre end denne såkaldte "diffraktionsgrænse, "de kan ikke længere adskilles visuelt - billedet ser" sløret ud. "For at optage optiske billeder i størrelsen få nanometer, dette er tydeligvis ikke tilstrækkeligt.

Af denne grund, forskere verden over har udviklet omfattende teknikker til at omgå diffraktionsgrænsen og dermed øge opløsningen. Imidlertid, den tekniske indsats, der er nødvendig for at gøre dette, er betydelig, og højt specialiserede mikroskopmonteringer er normalt påkrævet. I særdeleshed, undersøgelsen af ​​optiske nærfelter udgør stadig en stor udfordring, fordi de er så stærkt lokaliserede, at de ikke kan sende bølger til en fjern detektor.

I en ny undersøgelse, fysikere fra Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) og Technische Universität Dresden viser nu, at det er muligt at måle disse nærmarker med betydeligt mindre indsats. De brugte et biomolekylært transportsystem til at glide mange ekstremt små optiske nanosonder over en overflade. De præsenterer deres resultater i det aktuelle nummer af det berømte tidsskrift Naturnanoteknologi .

"Som sonder, vi brugte såkaldte kvantepunkter-små fluorescerende partikler på et par nanometer i størrelse, "siger professor Bert Hecht ved JMU; han ledede i fællesskab projektet med professor Stefan Diez fra TU Dresden.

Såkaldte motorproteiner og mikrotubuli får kvanteprikkerne til at passere over objektet, der skal undersøges. "Disse to elementer er blandt de grundlæggende komponenter i et intracellulært transportsystem, "forklarer Diez." Mikrotubuli er rørformede proteinkomplekser op til flere tiendedele millimeter lange, som danner et stort netværk af transportruter inde i celler. Motorproteiner løber langs disse ruter, transportere intracellulære belastninger fra et sted til et andet, "siger Hecht.

Fysikerne udnyttede dette koncept, men i omvendt rækkefølge:"De motoriske proteiner er fikseret til prøveoverfladen og passerer mikrotubuli over dem-en slags 'scenedykning' med biomolekyler, "siger Heiko Groß, Ph.d. elev i Hecht -gruppen. De kvanteprikker, der fungerer som optiske sonder, er knyttet til mikrotubuli og bevæger sig sammen med deres bærer.

Da en enkelt kvantepunkt ville tage meget lang tid at scanne et stort overfladeareal, forskerne brugte store mængder kvanteprikker og motoriske proteiner, der bevæger sig på samme tid, og dermed scanne et stort område på kort tid. "Ved hjælp af dette princip, vi kan måle lokale lysfelter over et stort område med en opløsning på mindre end fem nanometer ved hjælp af en opsætning, der ligner et klassisk optisk mikroskop, "forklarer fysikeren. Til sammenligning, et nanometer svarer til en milliontedel af en millimeter.

Fysikerne testede deres metode på et tyndt lag guld med smalle slidser mindre end 250 nanometer brede. Disse slots blev belyst nedenunder med blåt laserlys. "Lys, der passerer gennem disse smalle huller, er begrænset til spaltebredden, hvilket gør den ideel til demonstration af optisk mikroskopi i høj opløsning, "siger Gross.

Under målingen, en "sværm af mikrotubuli" glider samtidigt i forskellige retninger hen over overfladen af ​​guldlaget. Ved hjælp af et kamera, positionen for hver transporteret kvantepunkt kan bestemmes nøjagtigt ved definerede tidsintervaller. Hvis en kvantepunkt bevæger sig gennem det optiske nærfelt i en spalte, den lyser stærkere op og fungerer derfor som optisk sensor. Da kvantumpunktets diameter kun er et par nanometer, lysfordelingen i slidsen kan bestemmes ekstremt præcist, og dermed omgå diffraktionsgrænsen.

Et andet godt træk ved denne tilgang er, at på grund af dens længde og styrke, et mikrotubuli bevæger sig på en ekstremt lige og forudsigelig måde hen over den motorbelagte prøveoverflade. "Dette gør det muligt at bestemme placeringen af ​​kvantepunkterne 10 gange mere præcist end ved tidligere etablerede mikroskopimetoder med høj opløsning, "forklarer dr. med. Jens Ehrig, tidligere postdoktor i Diez -gruppen og nuværende chef for "Molecular Imaging and Manipulation" -faciliteten på Center for Molecular and Cellular Bioengineering (CMCB) i TU Dresden. Desuden, forstyrrelser forårsaget af artefakter på grund af nærfeltkobling kan udelukkes. Da transportsystemet kun består af få molekyler, dens indflydelse på de optiske nærfelter er ubetydelig.

Forskerne håber at kunne bruge deres idé til at etablere en ny teknologi inden for overflademikroskopi. Under alle omstændigheder, de er overbeviste om, at denne type mikroskopi har anvendelser i optisk inspektion af nanostrukturerede overflader. I et næste trin, forskerne ønsker at bruge dette molekylære transportsystem til at koble kvantepunkter til specifikt forberedte optiske nærfeltresonatorer for at studere deres interaktion.