In een cel, tentakels vesicles shuttle vracht voor het sorteren. DNA herschikt zich in de kern terwijl stamcellen differentiëren tot neuronen. Naburige neuronen klampen zich aan elkaar vast via een webachtige interface. En een nieuwe microscopietechniek laat het allemaal zien, in verfijnde details.

De techniek, genaamd cryo-SR/EM, voegt beelden samen die zijn vastgelegd met elektronenmicroscopen en lichtmicroscopen met superresolutie, resulterend in briljante, duidelijke gedetailleerde weergaven van de binnenkant van cellen - in 3D.

Voor jaren, wetenschappers hebben de microscopische wereld in cellen onderzocht, het ontwikkelen van nieuwe hulpmiddelen om deze basiseenheden van het leven te bekijken. Maar elke tool heeft een afweging. Lichtmicroscopie maakt het eenvoudig om specifieke cellulaire structuren te identificeren door ze te labelen met gemakkelijk te zien fluorescerende moleculen. Met de ontwikkeling van superresolutie (SR) fluorescentiemicroscopie, deze structuren kunnen met nog meer duidelijkheid worden bekeken. Maar fluorescentie kan slechts enkele van de meer dan 10 onthullen, 000 eiwitten in een cel op een bepaald moment, waardoor het moeilijk te begrijpen is hoe deze weinigen zich tot al het andere verhouden. Elektronenmicroscopie (EM), anderzijds, onthult alle cellulaire structuren in afbeeldingen met een hoge resolutie, maar het kan moeilijk zijn om één kenmerk van alle andere af te bakenen door EM alleen, omdat de ruimte in cellen zo vol is.

Door de twee technieken te combineren, krijgen wetenschappers een duidelijk beeld van hoe specifieke cellulaire kenmerken zich verhouden tot hun omgeving, zegt Harald Hess, een senior groepsleider op de Janelia Research Campus van het Howard Hughes Medical Institute. "Dit is een zeer krachtige methode."

Janelia Research Scientist David Hoffman en Senior Scientist Gleb Shtengel leidden het project onder leiding van Hess en Janelia senior fellow Eric Betzig, een HHMI-onderzoeker aan de Universiteit van Californië, Berkeley. Het werk wordt beschreven op 16 januari, 2020 in het journaal Wetenschap .

Eerst, de wetenschappers bevriezen cellen onder hoge druk. Dat stopt de activiteit van de cellen snel en voorkomt de vorming van ijskristallen die cellen kunnen beschadigen en de structuren die worden afgebeeld kunnen verstoren. Volgende, de onderzoekers plaatsen monsters in een cryogene kamer, waar ze worden afgebeeld met 3D door fluorescentiemicroscopie met superresolutie bij temperaturen van minder dan tien graden boven het absolute nulpunt. Vervolgens, ze zijn verwijderd, ingebed in hars, en afgebeeld in een krachtige elektronenmicroscoop ontwikkeld door het Hess-lab. Deze scoop schiet een bundel ionen op het celoppervlak, beetje bij beetje wegfrezen terwijl je foto's maakt van elke nieuw belichte laag. Een computerprogramma hecht de beelden vervolgens aan elkaar tot een 3D-reconstructie.

Eindelijk, onderzoekers overlappen de 3D-beeldgegevens van beide microscopen. Het resultaat:verbluffende beelden die de innerlijke details van cellen met ongelooflijke helderheid onthullen.

Naast dit persbericht zijn een paar video's opgenomen die illustreren hoe wetenschappers de techniek gebruiken. "Er is al veel interesse, "zegt Hess. "Er zijn nog zoveel meer experimenten te doen - een hele wereld aan cellen om te bestuderen."

1. Chromatine-organisatie

De kern van een neuron ziet er dramatisch anders uit voor (links) en na (rechts) begint de cel zijn uiteindelijke volwassen rol op zich te nemen. Naarmate de cel rijpt, DNA wordt opnieuw verpakt in de kern om een ​​nieuwe set genen aan te zetten. Deze veranderingen worden weerspiegeld in de verschillende patronen van grijze vlekken en gekleurde fluorescentie in de twee cellen. "De techniek leverde een verbazingwekkend gedetailleerde momentopname van de toestand van de kern voor en na differentiatie, " zegt David Solecki van het St. Jude Children's Research Hospital, die aan het project hebben meegewerkt.

2. Neurale verklevingen

Ontwikkelende neuronen plakken aan elkaar. Deze video laat precies zien hoe die cellen aan elkaar hechten, onthullende Zwitserse kaasachtige verbindingen die jonge neuronen helpen om op de juiste manier naar hun laatste plaatsen in het zenuwstelsel te migreren. Paars-en-groene fluorescentiebeelden met superresolutie van adhesie-eiwitten bij deze verbindingen correleren met elektronenmicroscopiebeelden (oranje) die de structuur van het membraan in detail laten zien.

3. Endosomen

Cellen zijn gevuld met kleine blaasjes - membraangebonden zakken die cellen helpen eiwitten op te slaan, celafval afbreken, en lading vervoeren. Deze vele soorten blaasjes zijn alleen onder een elektronenmicroscoop niet van elkaar te onderscheiden. Maar met cryo-SR/EM, hun onderscheidende kenmerken worden duidelijk. Deze clip zoomt in op endosomen, die vracht naar verschillende regio's binnen de cel pendelt.