Wetenschap
Zoogdiercellen observeren met supersnelle zachte röntgenstralen
Onderzoekers hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om levende zoogdiercellen te bekijken. Het team gebruikte een krachtige laser, een zogenaamde zachte röntgenvrije-elektronenlaser, om ultrasnelle verlichtingspulsen uit te zenden met een snelheid van femtoseconden, oftewel quadriljoensten van een seconde.
Hiermee konden ze voor het eerst beelden vastleggen van op koolstof gebaseerde structuren in levende cellen, voordat de zachte röntgenstraling deze beschadigde. Verfijnde Wolter-spiegels, een soort ultraprecieze spiegel, zijn gemaakt om de microscoop in staat te stellen beelden vast te leggen met een hoge ruimtelijke resolutie en een breed gezichtsveld.
In de toekomst hoopt het team deze microscoop te gebruiken om de dynamische aard van de celbiologie beter te begrijpen. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Optica .
Er is een verschil tussen zachte röntgenstralen en harde röntgenstralen. Harde röntgenfoto's zijn wat u waarschijnlijk zult tegenkomen als u door de luchthavenbeveiliging bent geweest of een gebroken ledemaat heeft opgelopen. Zachte röntgenstralen zijn doorgaans beperkt tot onderzoek, van het bestuderen van biologie en scheikunde tot mineralen en meteorieten. Zachte röntgenstralen kunnen chemische informatie over monsters en gedetailleerde beelden op subcellulair niveau opleveren, maar het gebruik ervan is beperkt vanwege de zeer gespecialiseerde apparatuur die daarvoor nodig is en, in de biologie, de schade die ze aan levende cellen veroorzaken.
Een team van onderzoekers heeft echter een nieuwe zachte röntgenmicroscoop gebouwd waarmee ze voor het eerst levende zoogdiercellen kunnen bekijken. Ze waren in staat om beelden te maken van koolstofstructuren in de cellen, die nog niet eerder met andere instrumenten waren gezien. Koolstof is een van de belangrijkste elementen van het leven, dus dit biedt een nieuw venster op een essentieel onderdeel van onszelf.
De microscoop heeft twee belangrijke componenten:een zachte röntgenvrije elektronenlaser; en zeer nauwkeurige Wolter-spiegels, een type spiegel dat veel wordt gebruikt in röntgentelescopen voor het observeren van de ruimte. De spiegels zijn gemaakt met behulp van technologie van hoofdauteur Satoru Egawa, assistent-professor van het Research Center for Advanced Science and Technology aan de Universiteit van Tokio.
"Een zachte röntgenvrije elektronenlaser zorgde voor pulsverlichting met een snelheid van tientallen femtoseconden (waarbij één femtoseconde een miljoenste van een miljardste van een seconde is). De ultrakorte duur van de stralingspulsen stelde ons in staat een beeld te maken voordat de structuur van de levende cel werd veranderd door stralingsschade", legt Egawa uit.
"We gebruikten Wolter-spiegels voor verlichting en beeldvorming. Deze spiegels bieden een breed gezichtsveld, zijn bestand tegen de bestraling van de krachtige lasers en vertonen geen kleurvervorming, waardoor ze ideaal zijn voor het observeren van monsters op verschillende golflengten."
Hoewel zachte röntgenvrije elektronenlasers eerder zijn gebruikt om kleinere virussen en bacteriën te bestuderen, waren de cellen van zoogdieren te groot om op deze manier te worden bestudeerd. Door Wolter-spiegels te gebruiken kon het team echter een breder gezichtsveld bereiken en een dikkere monsterhouder gebruiken die grotere cellen kon bevatten.
De resulterende beelden toonden details over het koolstofgehalte in de cellen die niet waren waargenomen met andere methoden, zoals elektronenmicroscopie en fluorescentiemicroscopie.
"Het was verrassend voor ons om een koolstofpad te vinden tussen de nucleolus (een structuur in de celkern, betrokken bij celfunctie en overleving) en het kernmembraan (dat de kern omhult), dat niet was waargenomen met zichtbare lichtmicroscopen, " zei Egawa.
Er zijn helderdere zachte röntgenvrije elektronenlasers beschikbaar die nog duidelijkere beelden met minder korrelige "ruis" mogelijk maken. Door helderdere lasers en nauwkeurigere Wolter-spiegels toe te voegen hoopt het team de microscoop te upgraden zodat deze meer biochemische elementen kan waarnemen. Dit zou ook kunnen helpen om enkele van de vitale reacties en interacties die plaatsvinden in levende cellen te verhelderen.