Observation af cellulær aktivitet, et molekyle ad gangen

Proteiner og molekyler samles og adskilles naturligt som en del af mange essentielle biologiske processer. Det er meget svært at observere disse mekanismer, som ofte er komplekse og finder sted på nanometerskalaen, langt mindre end det normale synlige område. Hos EPFL, imidlertid, et tværfagligt team af forskere har opfundet og anvendt en teknik, der gør det muligt at undersøge disse mekanismer med hidtil uset præcision. Deres arbejde er genstand for et papir udgivet i Natur nanoteknologi .

Nanometriske strukturer kan kun ses med specialmikroskoper, såsom atomkraftmikroskoper, som blev opfundet i midten af ​​1980'erne. Disse instrumenter skaber et billede ved fysisk at "føle" topografien af ​​prøven med en atomisk skarp spids for enden af ​​en lille cantilever. Prøven scannes derefter punkt for punkt for at skabe et billede. Da dette tager tid, kun statiske prøver kan afbildes med konventionelle atomkraftmikroskoper. Imidlertid, det nytter ikke noget, når videnskabsmænd vil se på små prøver, der ændrer sig over tid, såsom proteinsamlinger.

"Forandring er afgørende for levende stof og er derfor afgørende for biologiske processer, " forklarer prof. Georg Fantner, der leder EPFL's Laboratory for Bio- og Nano- Instrumentation (LBNI). "Så det var vigtigt, at vi fandt en måde at observere det på."

For at observere processer på en prøve, der ændrer sig over tid, scanningshastigheden skal øges. Imidlertid, i traditionelle hurtige atommikroskoper, de kræfter, der udøves af målingen, kan interferere med den molekylære samlingsproces, især da proteinsamlinger ofte er meget skrøbelige. EPFL-forskerne fandt en metode, der løste problemet, ved at styre den fysiske interaktion af den skarpe spids meget præcist ved hjælp af pulserende laserlys. Dette øgede scanningshastigheden dramatisk, samtidig med at den blide, men ekstremt præcise scanningsbevægelse bevares.

2, 000 linjer i sekundet

"Vi opnåede dette ved at bruge to lasere i mikroskopet, hvoraf den ene peger på bunden af ​​udkragningen, lokalt opvarme det og derved bøje det lidt, siger Adrian Nievergelt, en ph.d. studerende ved LBNI og medførsteforfatter af papiret. "Ved at bøje udkraget, vi kan undersøge overfladen meget hurtigere, mens du stadig holder fin kontrol over den overordnede bevægelse. Ud over, vi forbedrede det overordnede systems ydeevne, giver os mulighed for at scanne op til 2, 000 linjer i sekundet."

Forskerne testede denne nye teknologi for at analysere dynamikken i SAS-6-proteinringdannelsen. Denne proteinfamilie spiller en nøglerolle i samlingen af ​​centrioler, som er små organeller, der er bevaret fra alger til mænd, grundlæggende for cellemotilitet og deling. Det nye instrument gjorde det muligt for forskerne for første gang at visualisere de forskellige stadier af ringsamlingen af ​​SAS-6-proteiner i realtid "Dette er en kritisk game changer for feltet", siger prof. Pierre Gönczy, ekspert i centriolebiologi og medforfatter til undersøgelsen. "Nu har vi endelig en metode til direkte at observere, hvordan denne kritiske cellulære komponent er samlet til en ringlignende polymer", tilføjer Niccolò Banterle, en post-doc stipendiat i Gönczy-laboratoriet og medførsteforfatter af undersøgelsen. "Dette giver os mulighed for bedre at forstå, hvordan naturen styrer samlingen af ​​nogle af livets mindste byggesten."