Wetenschap
Onderzoek presenteert een 2D-dipooloriëntatiemethode voor het in kaart brengen van cellen
Vanwege de hoge transparantie van cellen is het erg moeilijk om de organellen daarin waar te nemen. Biologen kunnen specifieke organellen labelen voor observatie door middel van fluorescentiekleuring. Dit is enigszins analoog aan het zijn in een omgeving zonder licht waar iedereen volledig in het zwart gekleed is, waardoor het moeilijk wordt om je vrienden te vinden. Door onze vrienden een fluorescerend staafje te laten vasthouden, kunnen we ze gemakkelijk lokaliseren.
Een interessante vraag is:als de hoek van het fluorescerende staafje dat mijn vriend vasthoudt een soort signaal vertegenwoordigt, hoe kunnen we dan dergelijke hoekinformatie detecteren?
Net als deze puzzel is het vanwege de zeer transparante aard van cellen erg moeilijk om de organellen daarin waar te nemen. Met fluorescerende kleuring kunnen biologen specifieke organellen labelen voor observatie. De meeste fluorescerende moleculen verschijnen tijdens absorptie of emissie als directionele dipolen.
De oriëntatie van fluoroforen kan belangrijke informatie onthullen over de structuur en dynamiek van de bijbehorende organellen. Fluorescentiepolarisatiemicroscopie heeft zich ook ontwikkeld als een onmisbaar hulpmiddel voor het bestuderen van de oriëntatiekarakteristieken van biomoleculen.
Om de uitdaging van conventionele fluorescentiepolarisatiemicroscopie, beperkt door optische diffractie, te overwinnen, zijn verbeterde fluorescentiepolarisatiemicroscopietechnieken met superresolutie voorgesteld, zoals oriëntatie-lokalisatiemicroscopie met één molecuul (SMOLM) en polarisatiemodulatie (bijv. SDOM, SPoD, enz. ).
Vanuit biotechnologisch oogpunt is er echter, ondanks de belangrijke rol van biologische filamenten (bijvoorbeeld actinefilamenten en microtubuli) in cellulaire functies, een gebrek aan benaderingen met 3D-oriëntatieresolutie en hoge temporeel-ruimtelijke resolutie om ze in vivo te bestuderen.
Om het probleem van de dipooloriëntatieresolutie aan te pakken, heeft de onderzoeksgroep van professor Xi Peng van de Universiteit van Peking een 2D dipooloriëntatiekarteringsmethode ontwikkeld, SDOM, en optische lock-in detectie superresolutie dipooloriëntatiekartering, OLID-SDOM. In PhotoniX rapporteert de onderzoeksgroep een 3D-oriëntatiekarteringsmicroscoop met superresolutie, genaamd 3DOM.
De 3DOM-methode is gebaseerd op de gepolariseerde gestructureerde verlichtingsmicroscopie ontwikkeld door de onderzoeksgroep. Door het principe van Young's interferentie met dubbele spleet om te keren en dit te combineren met het principe van omkeerbare lichtpaden, worden verschillende hoeken van de strepen gebruikt om positieve en negatieve eerste-ordebundels in verschillende richtingen te produceren.
Bovendien kan een enkele richting van gekantelde verlichting worden geproduceerd door eenvoudigweg het overeenkomstige negatieve eerste-orde licht te blokkeren. Door deze kanteling onder verschillende hoeken van de z-as te projecteren en het beeld te reconstrueren met behulp van het FISTA-algoritme, kan een zeer nauwkeurige resolutie van de dipooloriëntatie worden bereikt door de polarisatiemodulatiecoëfficiënten te combineren en de reconstructieresultaten in een wederzijdse ruimte.
Over het geheel genomen overwint de voorgestelde 3DOM-methode effectief de beperkingen van fluorescentiepolarisatiemicroscopie in ruimtelijke resolutie en 3D-oriëntatiekartering met behulp van widefield-beeldvorming.
3DOM biedt een uitgebreider inzicht in de 3D-ruimtelijke structuur van fluorofoormoleculen. Dit stelt ons niet alleen in staat verschillende cytoskeletorganisaties (actinefilamenten en microtubuli) te onderscheiden, maar ook waardevolle inzichten te verkrijgen in de compactheid van de filamentbinding en de volgorde van subcellulaire structuren.
Bovendien heeft 3DOM een aanzienlijk potentieel op het gebied van DNA-buiging en de oriëntatie van vliezige organellen. Een van de belangrijkste voordelen van 3DOM is het gemak waarmee het kan worden geüpgraded naar bestaande widefield-systemen. De eenvoudige implementatie, nauwkeurige 3D-dipooloriëntatie-informatie en superieure spatio-temporele resolutie van 3DOM maken het geschikt voor een breed scala aan toepassingen, waardoor de toegankelijkheid en bruikbaarheid in verschillende onderzoeksomgevingen wordt vergroot.
Dit krachtige hulpmiddel stelt onderzoekers in staat de ingewikkelde complexiteit van de subcellulaire structuur, biomechanica en biodynamica te ontrafelen, waardoor ons begrip van cellulaire processen radicaal verandert. De onderzoekers voorzien dat 3DOM het begrip zal bevorderen van een groot aantal biologische structuren en interacties die op nanoschaal actief zijn.