We hebben allemaal gehoord, en gezien, hoe een beeld meer zegt dan duizend woorden. Nutsvoorzieningen, in een wetenschappelijke draai aan dat gezegde, onderzoekers van het National High Magnetic Field Laboratory (National MagLab), met het hoofdkantoor van de Florida State University, maken foto's die duizenden moleculen schilderen.

Met behulp van een uniek krachtig instrument, de wetenschappers hebben een techniek verfijnd die massaspectrometriebeeldvorming (MSI) wordt genoemd en die grote hoeveelheden gegevens vertaalt in gedetailleerde beelden van de moleculaire samenstelling van biologische monsters. Hun werk, deze week gepubliceerd in Analytische scheikunde , bevat afbeeldingen met een massaresolutie die zo hoog is dat elke kleur in de afbeelding een ander soort molecuul vertegenwoordigt.

MSI is niet nieuw. Voor jaren, wetenschappers hebben de techniek gebruikt om massaspectrometrie-analyses van de chemische samenstelling van een monster om te zetten in ruimtelijke representaties die laten zien welke moleculen waar voorkomen.

Wat is er nu anders, verklaarde National MagLab-chemicus Don Smith, corresponderende auteur van het onderzoek, is de breedte en diepte van de gegevens die zijn gegenereerd met de wereldrecord 21-tesla ion cyclotron resonantie (ICR) massaspectrometer van het laboratorium, kortweg de "21-T" genoemd. Tesla is een eenheid van magnetische veldsterkte; een koelkastmagneet heeft een veld van ongeveer 0,01 tesla en een typische MRI-magneet voor ziekenhuizen heeft een veld van 2 of 3 tesla.

Met de 21-T kunnen massaspectrometriebeelden ultrahoge definitie worden, met veel meer pixels waaruit de afbeelding bestaat.

"Ik zie dit graag als de meeste informatie per pixel - hoeveel chemische informatie we in een bepaalde tijd uit elke pixel kunnen halen, Smith zei. "We observeren nieuwe moleculen die nog nooit zijn waargenomen, nooit eerder massa opgelost in weefsel."

Vorig jaar, Smith werkte samen met Ron Heeren van het Maastricht MultiModal Molecular Imaging Institute van de Universiteit Maastricht in Nederland. Met hun team, de wetenschappers hebben een maand lang experimenten uitgevoerd in de 21-T, hersenweefsel van gezonde ratten onderzoeken. In elk 24-uurs experiment, ze richtten zich op specifieke biomoleculen. In de twee datasets die zijn onderzocht voor de Analytische scheikunde artikel, het team zocht naar bepaalde lipiden, een klasse van biomoleculen die kritieke functies in het lichaam uitvoeren, ook in celmembranen.

Massaspectrometers zijn fraaie moleculaire schalen die een sterke magneet gebruiken om elk molecuul in een stof te identificeren aan de hand van zijn unieke massa. De moleculen moeten eerst een positieve of negatieve lading krijgen (geïoniseerd) zodat de magneet ze kan detecteren. Het team gebruikte een techniek genaamd matrix-assisted laser desorptie-ionisatie (of MALDI), voor het eerst gebruikt op de 21-T voor dit project met een speciaal instrument verscheept van Maastricht naar Tallahassee. Met deze opstelling, ze waren in staat om methodisch te verdampen, ioniseren en een haarbreedte van weefsel per keer meten, elk met duizenden moleculen. Op deze manier, beetje bij beetje, ze verzamelden metingen die door speciale software werden omgezet in een MRI-achtige kaart van de ruimtelijke verdeling van de moleculen.

"Het werkte meteen " zei Smith van de experimenten. "Dat was een zeer aangename verrassing."

De 21-T, verworven door de National MagLab in 2014 met financiering van de afdeling Chemie van de National Science Foundation, bleek een verbazingwekkend gevoelige schaal. Smith merkte op dat wetenschappers in staat waren om twee moleculen te scheiden met een verschil in molecuulgewicht van ongeveer drie elektronen - ongeveer .00179 dalton (de eenheid van molecuulmassa) of slechts een kleine fractie van het gewicht van een watermolecuul.

"Dit is de reden dat we naar het MagLab komen, "Heeren zei, "om beeldvormingsgrenzen te verleggen en moleculaire details te zien die anders verborgen zouden blijven."

De 21-T heeft bewezen een opmerkelijk veelzijdig instrument te zijn, zei Chris Hendrickson, directeur van de ICR-faciliteit van het lab en een co-auteur van het papier.

"De experimenten die het mogelijk heeft gemaakt, lopen uiteen van medische biologie tot opkomende milieuverontreinigende stoffen, " hij zei.

Smith zei dat deze techniek een krachtig hulpmiddel kan worden voor gezondheidsonderzoek. Momenteel wordt de 21-T routinematig gebruikt om de moleculaire samenstelling te onderzoeken van, onder andere soorten monsters, complexe eiwitten. Toekomstige MALDI-experimenten kunnen niet alleen onthullen welke moleculen erin zitten, maar precies waar in een weefselmonster elk zich bevindt.

Kankeronderzoekers zouden de techniek kunnen gebruiken om te onderzoeken, op moleculair niveau, precies waar en hoe een medicijn door ziek weefsel reist; een andere wetenschapper zou kunnen onderzoeken hoe een organisme reageert op blootstelling aan een verontreinigende stof. Onderzoekers kunnen zelfs voorbeelden van dezelfde soort cel met elkaar vergelijken om subtiele moleculaire verschillen te detecteren.

Wat Smit betreft, hij en zijn team hebben hun werk voor hen gedaan, met veel gegevens in afwachting van analyse.

"We hebben eigenlijk van alles een beetje geprobeerd, " zei Smith over de experimenten van vorig jaar.

Dat zijn twee datasets lager, 26 te gaan.

Naast Smit, Heeren en Hendrikson, bijdragen aan het artikel waren onder meer Andrew Bowman (eerste auteur) en Shane Ellis van de Universiteit Maastricht en de National MagLab-wetenschapper Greg Blakney. De MALDI-instrumentatie die voor de experimenten is gebruikt, is beschikbaar gesteld met steun van de Nederlandse provincie Limburg.