Het onderzoeksgebied van optische microscopie heeft zich de afgelopen jaren snel ontwikkeld. Dankzij de uitvinding van een techniek genaamd superresolutie fluorescentiemicroscopie, het is sinds kort mogelijk om zelfs de kleinere delen van een levende cel te bekijken. Nutsvoorzieningen, door die techniek slim te verfijnen, onderzoekers van de TU Delft hebben haar grenzen nog verder verlegd. Waar voorheen objecten tot 10-20 nanometer werden waargenomen, hun methode maakt het mogelijk om te focussen op structuren met een diameter van slechts 3 nanometer.

Delftse lakenhandelaar en wetenschapper Antoni van Leeuwenhoek's zelfgemaakte microscopen hadden een resolutie van minder dan een micrometer, waardoor hij structuren als bacteriën en zaadcellen kon observeren. Maar zelfs in de zeventiende eeuw Van Leeuwenhoek naderde al de zogenaamde 'diffractiegrens', een theoretische grens waarboven twee aangrenzende punten niet kunnen worden onderscheiden onder een optische microscoop. Deze grens wordt mede bepaald door de golflengte van het gebruikte licht. Volgens de theorie, de maximale grootte van het object dat u kunt fotograferen met een conventionele microscoop is de helft van die golflengte. Alles wat kleiner is, is onmogelijk scherp in beeld te brengen.

Lang werd gedacht dat de diffractielimiet een harde grens was, bepaald door de natuurwetten. Maar door slimme trucs toe te passen, natuurkundigen slaagden er uiteindelijk in om het over te steken. Niet zo lang geleden, in 2014, de Nobelprijs voor Scheikunde werd toegekend aan de drie onderzoekers die de tijdelijke oplossing bedachten, bekend als 'superresolutie fluorescentiemicroscopie'. Bij deze techniek, bepaalde eiwitten of moleculen worden fluorescerend gemaakt door genetische modificatie. Het zwakke lichtsignaal dat ze afgeven, kan vervolgens worden vastgelegd met behulp van een optische microscoop. "In praktijk, Hoewel, " zegt onderzoeker Bernd Rieger, "Het probleem met het fluoresceren van eiwitten is dat je niet alle eiwitten van een bepaald type kunt labelen. Slechts 30-50 procent van hen, hoogstens. Als je dan begint met meten, je ziet alleen een aantal individuele lichtpunten, niet de volledige structuur die u probeert te bekijken."

Het probleem oplossen, de Delftse onderzoekers hebben een aanpassing bedacht voor superresolutiemicroscopie. Dit is vergelijkbaar met wat in de fotografie bekend staat als 'compositing':meerdere beelden op elkaar stapelen tot één samengesteld beeld. "Het middelen van de informatie van verschillende metingen werd al gedaan in elektronenmicroscopie, " legt onderzoeker Sjoerd Stallinga uit. "Maar dat is een heel andere technologie. Het kostte onze promovendus Hamidreza Heydarian twee jaar om de techniek om te zetten voor gebruik in optische microscopie."

Een probleem was dat het combineren van honderden, zo niet duizenden, van 'snapshots' vereist enorme hoeveelheden verwerkingskracht. Met een normale computer het duurde enkele dagen om van alle gegevens een duidelijk beeld te maken. "Gelukkig, " zegt Rieger, "dankzij de computerspelindustrie, we hebben de beschikking over grafische kaarten die extreem goed parallel kunnen rekenen." Een programmeur van het Netherlands eScience Center in Amsterdam sloot zich aan bij het project en zette een bestaand algoritme voor normale pc's om in een algoritme dat de onderzoekers op zo'n grafische kaart konden laten draaien. , de metingen kunnen nu binnen enkele uren worden gecombineerd tot één beeld.

Dit onderzoek verkleint de kloof tussen elektronen- en optische microscopie, wat belangrijk is omdat de twee technieken verschillende resultaten opleveren en dus complementair zijn, maar liggen qua mogelijkheden nog ver uit elkaar. "De beste elektronenmicroscopen zijn 30 tot 50 keer krachtiger dan de beste optische, ", zegt Stallinga. "Het dichter bij elkaar brengen van de twee werelden kan leiden tot nieuwe biologische inzichten."

Volgens de onderzoekers is hun techniek – die nu al resoluties van drie nanometer haalt – moet het op termijn mogelijk maken om structuren van slechts één nanometer te bekijken. Onder die drempel, de afmetingen van de fluorescerende labels worden een beperkende factor.

De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmethoden .