Wetenschappers van de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in het Brookhaven National Laboratory van DOE - hebben ultraheldere röntgenstralen gebruikt om afzonderlijke bacteriën in beeld te brengen met een hogere ruimtelijke resolutie dan ooit tevoren . Hun werk, gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , demonstreert een röntgenbeeldvormingstechniek, genaamd röntgenfluorescentiemicroscopie (XRF), als een effectieve benadering om 3D-beelden van kleine biologische monsters te produceren.

"Voor de allereerste keer, we gebruikten XRF op nanoschaal om bacteriën in beeld te brengen tot de resolutie van een celmembraan, " zei Lisa Miller, een wetenschapper bij NSLS-II en een co-auteur van het artikel. "Het afbeelden van cellen op het niveau van het membraan is van cruciaal belang voor het begrijpen van de rol van de cel bij verschillende ziekten en het ontwikkelen van geavanceerde medische behandelingen."

De recordresolutie van de röntgenbeelden werd mogelijk gemaakt door de geavanceerde mogelijkheden van de Hard X-ray Nanoprobe (HXN) bundellijn, een experimenteel station bij NSLS-II met nieuwe nanofocusoptiek en uitzonderlijke stabiliteit.

"HXN is de eerste XRF-bundellijn die een 3D-beeld genereert met dit soort resolutie, " zei Molenaar.

Terwijl andere beeldvormingstechnieken, zoals elektronenmicroscopie, kan de structuur van een celmembraan met een zeer hoge resolutie in beeld brengen, deze technieken zijn niet in staat om chemische informatie over de cel te verschaffen. Bij HXN, de onderzoekers konden 3D-chemische kaarten van hun monsters maken, identificeren waar sporenelementen in de cel worden gevonden.

"Bij HXN, we nemen een afbeelding van een monster onder één hoek, draai het monster naar de volgende hoek, maak nog een foto, enzovoort, " zei Tiffany Victor, hoofdauteur van de studie en een wetenschapper bij NSLS-II. "Elke afbeelding toont het chemische profiel van het monster in die richting. Dan, we kunnen die profielen samenvoegen om een ​​3D-beeld te creëren."

Miller heeft toegevoegd, "Het verkrijgen van een XRF 3D-beeld is als het vergelijken van een gewone röntgenfoto die u bij de dokter kunt krijgen met een CT-scan."

De door HXN geproduceerde beelden lieten zien dat twee sporenelementen, calcium en zink, had unieke ruimtelijke verdelingen in de bacteriële cel.

"Wij geloven dat het zink wordt geassocieerd met de ribosomen in de bacteriën, Victor zei. "Bacteriën hebben niet veel cellulaire organellen, in tegenstelling tot een eukaryote (complexe) cel met mitochondriën, een kern, en vele andere organellen. Dus, het is niet het meest opwindende voorbeeld om in beeld te brengen, maar het is een mooi modelsysteem dat de beeldtechniek uitstekend demonstreert."

Yong Chu, wie is de leidende beamline-wetenschapper bij HXN, zegt dat de beeldvormingstechniek ook toepasbaar is op veel andere onderzoeksgebieden.

"Deze 3D-techniek voor chemische beeldvorming of fluorescentie-nanotomografie wint aan populariteit in andere wetenschappelijke gebieden, " zei Chu. "Bijvoorbeeld, we kunnen visualiseren hoe de interne structuur van een batterij verandert terwijl deze wordt opgeladen en ontladen."

Naast het doorbreken van de technische barrières voor de resolutie van röntgenbeeldvorming met deze techniek, de onderzoekers ontwikkelden een nieuwe methode om de bacteriën tijdens de röntgenmetingen bij kamertemperatuur in beeld te brengen.

"Ideaal, XRF-beeldvorming moet worden uitgevoerd op ingevroren biologische monsters die cryo-geconserveerd zijn om stralingsschade te voorkomen en om een ​​meer fysiologisch relevant begrip van cellulaire processen te verkrijgen, Victor zei. "Vanwege de ruimtebeperkingen in de monsterkamer van HXN, we konden het monster niet bestuderen met behulp van een cryostage. In plaats daarvan, we hebben de cellen ingebed in kleine natriumchloridekristallen en de cellen bij kamertemperatuur afgebeeld. De natriumchloridekristallen behielden de staafvormige vorm van de cellen, en ze maakten de cellen gemakkelijker te lokaliseren, het verminderen van de looptijd van onze experimenten."

De onderzoekers zeggen dat het aantonen van de werkzaamheid van de röntgenbeeldvormingstechniek, evenals de monstervoorbereidingsmethode, was de eerste stap in een groter project om sporenelementen in andere biologische cellen op nanoschaal in beeld te brengen. Het team is vooral geïnteresseerd in de rol van koper bij de dood van neuronen bij de ziekte van Alzheimer.

"Spoorelementen zoals ijzer, koper, en zink zijn qua voedingswaarde essentieel, maar ze kunnen ook een rol spelen bij ziekte, " Miller zei. "We proberen de subcellulaire locatie en functie van metaalbevattende eiwitten in het ziekteproces te begrijpen om effectieve therapieën te helpen ontwikkelen."