Vooruitgang in celbiologie, materiaalwetenschap en beeldvorming worden gecombineerd om tools te creëren waarmee onderzoekers in realtime en in superfijne resolutie kunnen volgen wat er in een enkele cel gebeurt.

In staat zijn om cellulaire processen te visualiseren terwijl ze plaatsvinden, wordt gezien als een cruciaal onderdeel om te begrijpen welke veranderingen optreden wanneer een ziekte toeslaat en hoe dat proces kan worden voorkomen, teruggedraaid of anderszins genezen.

Gedurende vele decennia, wetenschappers hebben vertrouwd op het gebruik van kleurstofmoleculen die in cellen worden opgenomen om hun gedrag te visualiseren.

Deze kleurstofmoleculen, oorspronkelijk aangepast van de kleurstoffen die in de textielindustrie worden gebruikt, ontwikkeling en verbetering hebben ondergaan, maar hun basisprincipes en eigenschappen blijven grotendeels hetzelfde.

Een groot nadeel is het dimmen of vervagen van de kleurstoffen als ze worden blootgesteld aan het hoge intensiteitslicht voor beeldvorming. Wetenschappers hebben maar een klein tijdsbestek om de cel in beeld te brengen, het creëren van een momentopname van cellulaire gebeurtenissen in plaats van doorlopend, realtime volgen.

In de tussentijd, moleculaire beeldvorming en microscopie zijn zo ver gevorderd dat superfijne resolutie en realtime beeldvorming mogelijk zijn, niet alleen op celniveau, maar binnen een cel en van zijn verschillende componenten.

Dit inspireert microbiologen om samen te werken met materiaalingenieurs om nieuwe lichtgevende biomaterialen te ontwikkelen die, als een vliegtuigbaken, stellen wetenschappers in staat om cellulaire processen te volgen en te visualiseren zonder de levende cel nadelig te beïnvloeden.

In een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: Natuurmethoden , onderzoekers van de University of Technology Sydney (UTS) en de University of Wollongong (UOW), samen met collega's van de Universiteit van Peking, China, en de Universiteit van Göttingen, Duitsland, hebben geschetst hoe lichtgevende sondes door levenswetenschappers kunnen worden toegepast bij het visualiseren van cellulaire processen.

Hoofdauteur Distinguished Professor Dayong Jin van UTS zei dat materiaalwetenschappers enorme vooruitgang hebben geboekt bij de ontwikkeling van nieuwe structuren die extreem klein zijn - vergelijkbaar met de grootte van een eiwitmolecuul - die licht uitstralen met een grotere helderheid en precisie dan klassieke kleurstofmoleculen.

"We kunnen nanomaterialen nemen, zoals lichtemitterende plastic of keramische deeltjes, en bezorg ze op de site in kwestie. Verschillende andere technieken helpen het deeltje om door de celwand te gaan en we kunnen visualiseren wat er gaande is in de moleculaire machinerie.

"We hebben vooruitgang geboekt, zoals het vermogen om de veranderingen in transport binnen een neuron te meten als gevolg van hersenziekte, Professor Jin zei. "Deze geavanceerde deeltjes maken het ook mogelijk om verschillende kleuren en pulssignalen tegelijkertijd te gebruiken, zodat we in feite visueel kunnen zien hoe genen of eiwitten worden gebarcodeerd om te zien hoe deze worden vertaald en getranscribeerd - de codering van het leven zelf.

"Dit is een opwindende tijd voor de celbiologie en materiaalwetenschappelijke gemeenschappen die nu een ongekende kans hebben om cellulaire beeldvorming te onderzoeken met ongekende nauwkeurigheid en resolutie.

Co-auteur Distinguished Professor Antoine van Oijen, die het Molecular Horizons-initiatief van UOW leidt, zei dat het artikel benadrukte hoe het samenbrengen van de materiaalwetenschappelijke gemeenschap met wetenschappers uit de biowetenschappen van cruciaal belang zou zijn om de ingewikkelde details van hoe het leven werkt te verlichten.

"Inzicht in ziekteprocessen, en dus de ontwikkeling van geneeswijzen, vertrouwt erop dat we cellulaire processen begrijpen:hoe doen de verschillende biomoleculen in onze cellen hun werk? Wat gebeurt er als ze hun werk niet meer goed doen en de ziekte toeslaat?

"Momenteel, wetenschappers en gezondheidswerkers maken zich grote zorgen over antimicrobiële resistentie, waardoor sommige medicijnen nutteloos kunnen worden en in het ergste geval, zie de heropkomst van ziekten die de samenleving al tientallen jaren niet meer lastig vallen.

"We zijn nu op een punt waar onderzoekers nieuwe antibiotica moeten ontwikkelen en produceren, en artsen moeten ze verstandig gebruiken. Het begrijpen van de processen van hoe medicijnen werken op moleculair niveau is de sleutel tot het ontwikkelen van deze nieuwe medicijnen."

Deze methoden en de onderzoekssamenwerkingen die eraan ten grondslag liggen, zullen een belangrijk aandachtspunt zijn voor Molecular Horizons, een onderzoeksfaciliteit van $ 80 miljoen die momenteel in aanbouw is op de Wollongong-campus van UOW. Het zal onderzoekers toegang geven tot nieuwe hulpmiddelen voor visualisatie van biologische processen die zullen helpen de diepste geheimen van de cel te ontrafelen en nieuwe manieren te ontwikkelen om ziekten op te sporen en aan te vallen.