Tot voor kort, als wetenschappers bloedcellen wilden bestuderen, algen, of bacteriën onder de microscoop, ze moesten deze cellen op een substraat zoals een glasplaatje monteren. Natuurkundigen van de universiteiten van Bielefeld en Frankfurt hebben een methode ontwikkeld die biologische cellen vangt met een laserstraal om ze met zeer hoge resoluties te bestuderen. In sciencefictionboeken en films, het principe staat bekend als de 'tractorbalk'. Met behulp van deze procedure, de natuurkundigen hebben superresolutiebeelden verkregen van het DNA in afzonderlijke bacteriën. Natuurkundige Robin Diekmann en zijn collega's publiceren deze nieuwe ontwikkeling in het laatste nummer van het onderzoekstijdschrift Natuurcommunicatie .

Een van de problemen waar onderzoekers voor staan ​​die biologische cellen microscopisch willen onderzoeken, is dat elke voorbereidende behandeling de cellen zal veranderen. Veel bacteriën geven er de voorkeur aan vrij in oplossing te kunnen zwemmen. Bloedcellen lijken op elkaar:ze zijn continu in snelle stroom, en blijf niet op oppervlakken. Inderdaad, vasthouden aan een oppervlak verandert hun structuur en ze sterven.

'Onze nieuwe methode stelt ons in staat om cellen die niet op oppervlakken kunnen worden verankerd, te nemen en ze vervolgens met een optische val in een zeer hoge resolutie te bestuderen. De cellen worden op hun plaats gehouden door een soort optische trekstraal. Het principe dat aan deze laserstraal ten grondslag ligt, is vergelijkbaar met het concept dat te vinden is in de televisieserie "Star Trek", ' zegt professor dr. Thomas Huser. Hij is hoofd van de onderzoeksgroep Biomoleculaire Fotonica van de Faculteit der Natuurkunde. 'Het bijzondere is dat de monsters niet alleen geïmmobiliseerd worden zonder substraat, maar ook gedraaid en geroteerd kunnen worden. De laserstraal fungeert als een uitgestoken hand om microscopisch kleine aanpassingen te doen.'

De natuurkundigen van Bielefeld hebben de procedure voor gebruik in superresolutie-fluorescentiemicroscopie verder ontwikkeld. Dit wordt beschouwd als een sleuteltechnologie in de biologie en de biogeneeskunde omdat het de eerste manier is om biologische processen in levende cellen op grote schaal te bestuderen - iets dat voorheen alleen mogelijk was met elektronenmicroscopie. Om met dergelijke microscopen beelden te verkrijgen, onderzoekers voegen fluorescerende sondes toe aan de cellen die ze willen bestuderen, en deze lichten dan op als er een laserstraal op wordt gericht. Met een sensor kan deze fluorescerende straling vervolgens worden vastgelegd, zodat onderzoekers zelfs driedimensionale beelden van de cellen kunnen krijgen.

In hun nieuwe methode de Bielefeld-onderzoekers gebruiken een tweede laserstraal als optische val, zodat de cellen onder de microscoop drijven en naar believen kunnen worden bewogen. 'De laserstraal is zeer intensief, maar onzichtbaar voor het blote oog omdat hij gebruik maakt van infrarood licht, ' zegt Robin Diekmann, een lid van de Biomoleculaire Photonics Research Group. 'Als deze laserstraal op een cel wordt gericht, er ontwikkelen zich krachten in de cel die deze in het brandpunt van de straal houden, ', zegt Diekmann. Met behulp van hun nieuwe methode, de natuurkundigen van Bielefeld zijn erin geslaagd bacteriecellen zo vast te houden en te roteren dat ze van meerdere kanten beelden van de cellen kunnen krijgen. Dankzij de rotatie de onderzoekers kunnen de driedimensionale structuur van het DNA bestuderen met een resolutie van circa 0,0001 millimeter.

Professor Huser en zijn team willen de methode verder aanpassen, zodat ze het samenspel tussen levende cellen kunnen observeren. Dan kunnen ze studeren, bijvoorbeeld, hoe ziektekiemen cellen binnendringen.

Om de nieuwe methoden te ontwikkelen, de Bielefeld-wetenschappers werken samen met Prof. Dr. Mike Heilemann en Christoph Spahn van de Johann Wolfgang Goethe Universiteit van Frankfurt am Main.