Northwestern Engineering-onderzoekers hebben een nieuw platform ontwikkeld dat afzonderlijke moleculen in 3D kan afbeelden, waardoor diepere sondes in de innerlijke werking van cellen mogelijk zijn.

Het platform maakt gebruik van spectroscopische lokalisatiemicroscopie met één molecuul (sSMLM), een hulpmiddel dat tegelijkertijd de ruimtelijke informatie van afzonderlijke moleculen en hun spectroscopische handtekeningen kan vastleggen.

Onderzoekers verbeterden de tool door bestaande sSMLM te combineren met een systeem met twee spiegels, waardoor het moleculen in 3D op veel grotere diepten kan afbeelden. Deze nieuwe tool kan moleculair biologen helpen om complexe processen in cellen te begrijpen.

"Ons ontwerp is relatief eenvoudig te implementeren, en zal ons in staat stellen om moleculaire interacties veel beter te bestuderen dan voorheen, " zei Hao Zhang, hoogleraar biomedische technologie en co-auteur van het onderzoek. "Nu kunnen we niet alleen zien waar moleculen zijn, maar ook wat ze zijn." Zhang ontwikkelde de technologie met Cheng Sun, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde.

De resultaten zijn op 21 mei gepubliceerd in het tijdschrift optiek . Coauteurs waren onder meer Ki-HeeSong, een doctoraat kandidaat, en Yang Zhan, een postdoctoraal onderzoeker, beide van de afdeling Biomedical Engineering van Northwestern.

Beeldvorming in 3D

In recente jaren, wetenschappers en ingenieurs hebben sSMLM gebruikt om moleculaire interacties en cellulaire dynamiek beter te begrijpen. Het systeem geeft informatie over de locatie van moleculen en hoe die moleculen interageren met licht, die wetenschappers vertelt welk type molecuul ze zien.

Maar het systeem werkt alleen in twee dimensies, geeft slechts een gedeeltelijk beeld van moleculen en hun interacties.

Zhang en Sun wilden beeldvorming uitbreiden naar 3D en ontwikkelden oorspronkelijk een manier om dit te doen door een extra lens toe te voegen, maar ontdekte dat een paar spiegels hetzelfde effect op een veel elegantere manier kan bereiken.

De spiegels werken door een optisch padlengteverschil in het systeem te introduceren dat de manier verbetert waarop het systeem fotonen gebruikt. In tegenstelling tot lenzen, de meeste spiegels dempen het gereflecteerde licht niet, wat betekent dat er meer fotonen kunnen worden gebruikt voor nanoscopische lokalisatie om een ​​scherper beeld te creëren en de beeldvorming uit te breiden tot een 3D-dieptebereik.

Met 3D-beeldvorming op nanoschaal, onderzoekers kunnen zien dat er meer interacties plaatsvinden binnen het intracellulaire volume zonder overschaduwd te worden door het oppervlak. Bijvoorbeeld, Zhang, Zon, en hun medewerkers gebruiken het systeem om de intercellulaire distributie van moleculen te bestuderen, kijken naar hoe RNA wordt getransporteerd en interageert met celorganellen voordat het wordt vertaald in eiwitten.

"Dit systeem kan ingrijpende gevolgen hebben voor de moleculaire biologie, ' zei Zhang.

Hoewel eerdere moleculaire beeldvormingssystemen optische filters gebruikten om verschillende soorten moleculen te detecteren op basis van hun goed gescheiden emissiekleuren, het nieuwe systeem kan minieme verschillen in moleculaire emissies van elk ander molecuul detecteren en het spectrum analyseren om ze te onderscheiden.

"We kunnen nu elke afzonderlijke molecuul een kleurcode geven, " zei Sun. "Dat is een belangrijke kracht."

Processen op nanoschaal begrijpen

Volgende, de onderzoekers hopen de technologie verder te verfijnen, en gebruik het ook in moleculaire biologiestudies.

Ze werken samen met medewerkers om de poriestructuur van de kern te bestuderen en hoe deze betrokken is bij stamceldifferentiatie, en bestuderen ook de depolarisatie van het mitochondriale membraan, een gebeurtenis geassocieerd met vele ziekten, inclusief verlies van gezichtsvermogen bij diabetespatiënten. Ze hopen ook dat hun technologie anderen in het veld helpt.

"Het is een zeer elegant ontwerp, " zei Sun. "Het systeem kan heel gemakkelijk in andere laboratoria worden geïmplementeerd, en het heeft een mooie prestatie."