Een onderzoeksteam van de Carnegie Mellon University en Columbia heeft twee opkomende beeldvormingstechnologieën gecombineerd om een ​​breed scala aan biomoleculen, waaronder eiwitten, lipiden en DNA, op nanoschaal beter te kunnen bekijken. Hun techniek, die expansiemicroscopie en gestimuleerde Raman-verstrooiingsmicroscopie combineert, wordt gedetailleerd beschreven in Advanced Science .

Biomoleculen worden traditioneel afgebeeld met behulp van fluorescentiemicroscopie, maar die techniek heeft zijn beperkingen. Fluorescerende microscopie vertrouwt op fluorofoor-dragende tags om te binden aan moleculen van belang en deze te labelen. Deze tags zenden fluorescerend licht uit met een breed scala aan golflengten; dus kunnen onderzoekers slechts 3-4 fluorescerende kleuren in het zichtbare spectrum tegelijk gebruiken om interessante moleculen te labelen.

In tegenstelling tot fluorescentiemicroscopie, visualiseert gestimuleerde Raman-verstrooiingsmicroscopie (SRS) de chemische bindingen van biomoleculen door hun vibrerende vingerafdrukken vast te leggen. In die zin heeft SRS geen labels nodig om de verschillende soorten biomoleculen, of zelfs verschillende isotopen, in een monster te zien. Bovendien kan een regenboog van kleurstoffen met unieke trillingsspectra worden gebruikt om meerdere doelen in beeld te brengen. SRS heeft echter een diffractielimiet van ongeveer 300 nanometer, waardoor het niet in staat is om veel van de cruciale nanoschaalstructuren in cellen en weefsel te visualiseren.

"Elk type molecuul heeft zijn eigen vibrationele vingerafdruk. SRS stelt ons in staat om het type molecuul te zien dat we willen door af te stemmen op de karakteristieke frequentie van zijn trillingen. Iets als schakelen tussen de radiostations", zegt Carnegie Mellon Eberly Family Associate Professor of Biologische Wetenschappen Yongxin (Leon) Zhao.

Zhao's lab heeft nieuwe beeldvormingstools ontwikkeld op basis van expansiemicroscopie - een techniek die het probleem van diffractielimieten in een breed scala van biologische beeldvorming aanpakt. Expansiemicroscopie neemt biologische monsters en zet deze om in wateroplosbare hydrogels. De hydrogels kunnen vervolgens worden behandeld en laten uitzetten tot meer dan 100 keer hun oorspronkelijke volume. De uitgebreide voorbeelden kunnen vervolgens worden afgebeeld met behulp van standaardtechnieken.

"Net zoals SRS de beperkingen van fluorescentiemicroscopie kon overwinnen, overwint expansiemicroscopie de beperkingen van SRS," zei Zhao.

De onderzoekers van Carnegie Mellon en Columbia combineerden SRS en expansiemicroscopie om Molecule Anchorable Gel-enabled Nanoscale Imaging of Fluorescence en gestimuleerde Raman Scattering microscopie (MAGNIFIERS) te creëren. Zhao's expansiemicroscopietechniek was in staat om monsters tot 7,2 keer uit te breiden, waardoor ze SRS konden gebruiken om kleinere moleculen en structuren in beeld te brengen dan ze zouden kunnen doen zonder expansie.

In de onlangs gepubliceerde studie toonde het onderzoeksteam aan dat MAGNIFIERS kunnen worden gebruikt voor metabole beeldvorming met hoge resolutie van eiwitaggregaten, zoals die gemaakt in omstandigheden zoals de ziekte van Huntington. Ze toonden ook aan dat MAGNIFIERS de locatie op nanoschaal van acht verschillende markers in hersenweefsel tegelijk in kaart konden brengen.

De onderzoekers zijn van plan door te gaan met de ontwikkeling van de MAGNIFIERS-techniek om een ​​hogere resolutie en hogere doorvoer te verkrijgen voor het begrijpen van de pathologie van complexe ziekten, zoals kanker en hersenaandoeningen.

Aanvullende co-auteurs van het onderzoek zijn:Alexsandra Klimas, Brendan Gallagher, Zhangu Cheng, Feifei Fu, Piyumi Wijesekara en Xi Ren van Carnegie Mellon; en Yupeng Miao, Lixue Shi en Wei Min uit Columbia. + Verder verkennen

Vibrationele microscopie gaat superresolutie