Stanford's Nobelprijswinnaar Eric Betzig deelt samen met zijn collega's William E. Moerner en Stefan Hell de Nobelprijs voor de Scheikunde voor hun ontwikkeling van nieuwe methoden om biomoleculen en structuren zichtbaar te maken die voorheen niet zichtbaar waren met traditionele lichtmicroscopie. Hun technieken, bekend als gestimuleerde emissiedepletie (STED) microscopie en fotogeactiveerde lokalisatiemicroscopie (PALM), hebben een revolutie teweeggebracht in het vakgebied van de microscopie en hebben wetenschappers in staat gesteld ongekende beelden van biologische structuren te verkrijgen.

Gestimuleerde emissiedepletie (STED)-microscopie

STED-microscopie is een beeldvormingstechniek met superresolutie die gebruik maakt van een combinatie van twee laserstralen om de excitatie en emissie van fluorescerende moleculen nauwkeurig te controleren, waardoor de visualisatie van structuren mogelijk wordt gemaakt met een resolutie die ver boven de diffractielimiet van conventionele microscopie ligt. De eerste laserstraal, de excitatiestraal genoemd, wordt gebruikt om de fluorescerende moleculen in een specifiek gebied van het monster te exciteren. De tweede laserstraal, de depletiestraal genoemd, wordt vervolgens toegepast om de fluorescentie van de aangeslagen moleculen te deactiveren in een donutvormig gebied rond de excitatieplek, waardoor effectief een "gat" op nanoschaal van niet-fluorescentie ontstaat. Door de excitatie- en depletiebundels over het monster te scannen, kan een beeld met hoge resolutie van de fluorescerende moleculen worden verkregen.

Fotogeactiveerde lokalisatiemicroscopie (PALM)

PALM is een andere beeldvormingstechniek met superresolutie die de precieze lokalisatie van individuele fluorescerende moleculen in een monster omvat. In PALM wordt een populatie van door licht schakelbare fluorescerende moleculen dun gelabeld aan het monster, en vervolgens worden individuele moleculen stochastisch geactiveerd en afgebeeld. Door dit proces vele malen te herhalen en een groot aantal beelden te verzamelen, kunnen de posities van individuele moleculen met nanometerprecisie worden bepaald. Dit maakt de reconstructie mogelijk van afbeeldingen met hoge resolutie van de gelabelde moleculen in het monster.

Donkere cellen verlichten, leven en dood onthullen

Betzigs innovatieve microscopietechnieken hebben een aanzienlijke impact gehad op verschillende wetenschapsgebieden, met name in de celbiologie en neurowetenschappen. Door de visualisatie van cellulaire structuren op moleculair niveau mogelijk te maken, hebben STED- en PALM-microscopie nieuwe inzichten opgeleverd in de mechanismen van het leven en onderzoekers geholpen verschillende ziekten op cellulair niveau te begrijpen.

Op het gebied van de neurowetenschappen hebben STED- en PALM-microscopie onderzoekers bijvoorbeeld in staat gesteld de ingewikkelde structuur van neuronen en synapsen te visualiseren, waardoor de moleculaire mechanismen van neuronale communicatie en synaptische plasticiteit aan het licht komen. In de celbiologie hebben deze technieken wetenschappers in staat gesteld de dynamiek van cellulaire processen, zoals eiwittransport, membraanremodellering en celdeling, met ongekend detail te bestuderen.

Bovendien hebben STED- en PALM-microscopie een diepgaande invloed gehad op het begrip van ziekten op cellulair niveau. Deze technieken zijn bijvoorbeeld gebruikt om de moleculaire basis van neurodegeneratieve ziekten, zoals de ziekte van Alzheimer en de ziekte van Parkinson, te bestuderen, wat nieuwe inzichten oplevert in de ziektemechanismen en potentiële therapeutische doelen. In kankeronderzoek hebben STED- en PALM-microscopie onderzoekers in staat gesteld de cellulaire veranderingen te visualiseren die verband houden met de ontwikkeling van kanker, waaronder veranderingen in de cellulaire architectuur, eiwitexpressie en signaalroutes.

Door donkere cellen te verlichten en leven en dood op moleculair niveau te onthullen, hebben Betzigs Nobelprijswinnende microscopietechnieken het veld van wetenschappelijk onderzoek getransformeerd en zijn ze veelbelovend voor het bevorderen van ons begrip van de menselijke gezondheid, ziektemechanismen en toekomstige therapeutische interventies.