In 2014, W.E. Moerner, de Harry S. Mosher hoogleraar scheikunde aan de Stanford University, won de Nobelprijs voor scheikunde voor het mede-ontwikkelen van een manier om vormen in cellen af ​​te beelden met een zeer hoge resolutie, superresolutiemicroscopie genoemd. Nutsvoorzieningen, hij en zijn lab hebben een nieuwe microscoop gemaakt die 3D-afbeeldingen op nanoschaal van zoogdiercellen in hun geheel produceert.

"Een cel heeft een hele stad van eiwitten, enzymen en structuren die de hele tijd werken, Moerner zei. "We hebben een idee van wat er in een cel zit - velen van ons zijn bekend met tekeningen van mitochondriën of van het endoplasmatisch reticulum - maar het is een gemiddeld idee. Als we naar individuele cellen kijken, we erkennen dat ze niet allemaal precies lijken op de foto's die we in schoolboeken hebben."

Het Moerner-lab combineert chemie, natuurkunde, optica en techniek om betere manieren te creëren om in cellen te kijken om de werking van individuele moleculen te zien. In samenwerking met vele andere laboratoria, de groep richt zich op biologische onderwerpen, zoals het meten van de structuren van eiwitvezels gerelateerd aan de ziekte van Huntington, observeren van de organisatie van individuele DNA-strengen in de kern en documenteren van structurele veranderingen in cellen tijdens medische behandelingen.

Pannenkoeken en magie

De nieuwe microscoop, die de onderzoekers TILT3D noemen en die onlangs werd beschreven in een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie , combineert twee nieuwe beeldvormingstechnieken met superresolutiemicroscopie om zeer duidelijke 3D-beelden van structuren en individuele moleculen in een cel vast te leggen.

Een van de twee nieuwe technieken, bekend als gekantelde lichtplaatverlichting, lost problemen met focus en functionaliteit op die optreden bij bestaande verlichtingstechnieken. In de meeste lichtmicroscopen het celmonster wordt van onderaf verlicht.

"Dit is een probleem als je de details van een cel wilt onderzoeken, omdat dit leidt tot visueel wazige beelden waar slechts enkele delen scherp zijn, zoals een foto die over een lange afstand is genomen, " zei Anna-Karin Gustavsson, een postdoctoraal onderzoeker in het Moerner-lab en hoofdauteur van het artikel.

Standaard lichtplaatverlichting omzeilt dit probleem door slechts een stukje licht vanaf de zijkant naar binnen te schijnen om een ​​pannenkoekachtige verlichting van het monster te verkrijgen. Zelfs met dit voordeel als je probeert een licht laken op de bodem van een cel te laten schijnen, het stuitert tegen de hoek van de kamer met het monster, wat het beeld vervormt. Door het lichtblad te kantelen, het Moerner-lab vermijdt het raken van de hoek.

Naast het opruimen van de visuele rommel door het lichtblad te kantelen, de nieuwe microscoop bevat een optische methode voor beeldvorming in 3D. Om dit te behalen, de onderzoekers labelen moleculen in het celmonster met chemicaliën die fluoresceren wanneer ze worden aangestoken en gebruiken chemische additieven om ze helder te laten knipperen. Vervolgens, door wat Moerner 'optische magie' noemt, " de groep past de microscoop aan om elke fluorescerende knippering om te zetten in twee lichtvlekken onder verschillende hoeken. Met deze twee vlekken, de onderzoekers kunnen de positie van elk molecuul in drie dimensies krijgen, die het uiteindelijke 3D-beeld informeert.

Hun pancaked 3D-beelden op elkaar stapelen, de onderzoekers kunnen een cel van boven naar beneden reconstrueren. Tilted light sheet imaging maakt het ook mogelijk om de 3D-beweging van moleculen in de loop van de tijd te volgen met een precisie van tientallen nanometers, die moleculen zouden kunnen binden, bewegen door motoren of willekeurig reizen door structuren van de cel.

Door het heldere beeld en de 3D-mogelijkheden van TILT3D te combineren met bestaande superresolutietechnieken, de microscoop kan nauwkeurige afbeeldingen maken met een superresolutie - zo klein als tientallen nanometers of ongeveer 4, 000 keer kleiner dan een mensenhaar dik is. Dit opent nieuwe mogelijkheden om gedetailleerde 3D-beelden van zoogdiercelstructuren te produceren, zelfs van degenen die voorheen te compact waren om duidelijk af te beelden.

Klaar om te delen

Als onderdeel van hun paper, Moerner en zijn laboratoriumleden hebben hun microscoop met succes getest op bekende celstructuren. Ze leiden al andere laboratoria door het proces van het dupliceren van deze microscoop. Het ontwerp kan een modulaire aanvulling zijn op bestaande lichtmicroscopen. In de toekomst, ze hopen dat hun 3D-beeldvorming van gekantelde lichtplaten voor een willekeurig aantal projecten zal worden gebruikt.

"TILT3D is eenvoudiger dan andere microscopen die zijn ontworpen voor het afbeelden van deze uitdagende monsters, en het kan worden gebruikt voor het in beeld brengen van zowel statische structuren als bewegende moleculen", aldus Gustavsson, die deels wordt ondersteund door een postdoctoraal mandaat van het Karolinska Institutet in Zweden. "We hebben het ontworpen om veelzijdig te zijn, niet gebonden aan een specifieke vraag."

De onderzoekers blijven werken aan TILT3D, vooral op het combineren van statische en dynamische informatie van verschillende eiwitten. Naast hun vele andere innovaties en onderzoeken op het gebied van cellulaire beeldvorming, ze hopen dat deze technologie hen en anderen in staat zal stellen meer te leren over de structuren en processen van cellen, één molecuul tegelijk.