Een onderzoeksteam van de Northwestern University heeft een nieuwe methode ontwikkeld om spectroscopische nanoscopie uit te voeren, een benadering die onderzoekers zou kunnen helpen meer gecompliceerde biomoleculaire interacties te begrijpen en cellen en ziekten op het niveau van één molecuul te karakteriseren.

Het nieuwe systeem, asymmetrisch gedispergeerde spectroscopische lokalisatiemicroscopie met één molecuul (SDsSMLM) genoemd, bouwt voort op bestaande sSMLM-technieken die zijn ontwikkeld aan de McCormick School of Engineering om nauwkeurigere spectroscopische analyse van één molecuul te bieden om te bestuderen hoe cellen achter bepaalde kankers, of ziekten zoals diabetische retinopathie, functioneren in hun gelokaliseerde omgeving.

Terwijl de huidige spectroscopische microscopietechnieken voor lokalisatie van één molecuul tegelijkertijd superresolutiebeeldvorming en spectroscopie met één molecuul bereiken, huidige sSMLM-ontwerpen lijden aan verminderde beeldresolutie en spectrale precisie. Dit wordt veroorzaakt doordat het systeem een ​​eindig aantal uitgezonden fotonen - atomaire deeltjes die elektromagnetisch licht uitzenden - verdeelt tussen twee afzonderlijke kanalen voor ruimtelijke en spectrale beeldvorming.

"We zouden niet tevreden moeten zijn om alleen te weten waar een bepaald molecuul is of waar veel moleculen zijn zonder hun eigenschappen te differentiëren, " zei Hao Zhang, hoogleraar biomedische technologie, die het onderzoek leidde. "Onze aanpak stelt ons in staat om alle fotonen van elke emissie volledig te gebruiken voor zowel ruimtelijke beeldvorming als spectrale analyses. we hebben de ruimtelijke beeldresolutie en spectrale precisie aanzienlijk verbeterd in vergelijking met bestaande sSMLM-technieken."

Een document waarin het werk wordt beschreven, getiteld "Symmetrisch gedispergeerde spectroscopische lokalisatiemicroscopie met één molecuul, " werd 25 mei gepubliceerd in het tijdschrift Licht:wetenschap en toepassingen . Cheng zon, hoogleraar werktuigbouwkunde, was een co-auteur op het papier.

In tegenstelling tot bestaande sSMLM-benaderingen, die vaak een verhouding van 1:3 gebruiken om foto's te splitsen tussen de ruimtelijke en spectrale kanalen, SDsSMLM legt alle beschikbare foto's vast om twee gespiegelde spectrale afbeeldingen te maken. Deze benadering extraheert spectrale informatie met de hoogst mogelijke resolutie. In aanvulling, omdat de afbeeldingen symmetrisch zijn, onderzoekers kunnen nog steeds ruimtelijke informatie identificeren door het middelpunt tussen de twee spectrale beelden te identificeren.

In vergelijking met een bestaande sSMLM die hetzelfde aantal foto's gebruikt, de onderzoekers ontdekten dat SDsSMLM de ruimtelijke precisie verbeterde met 42 procent en de spectrale precisie met 10 procent.

"We realiseerden ons dat de ruimtelijke informatie volledig over het hoofd wordt gezien in het spectrale beeld in bestaande sSMLM-technieken, "Zei Zhang. "Deze aanpak stelt ons in staat om alle beschikbare fotonen toe te passen voor spectrale analyse om de resolutielimiet te verleggen en tegelijkertijd ruimtelijke beeldvorming te verkrijgen."

Bij gebruik in combinatie met spectroscopische beeldvormingstechnieken met één molecuul, SDsSMLM kan worden aangepast voor 3D-cellulaire beeldvorming, een essentieel hulpmiddel in celbiologie en materiaalwetenschap waarmee onderzoekers kunnen volgen hoe cellen in hun omgeving op elkaar inwerken.

"Deze techniek geldt voor alle moleculen, ongeacht hun emissiespectra en minieme spectrale variaties, zelfs tussen dezelfde soorten moleculen, " zei Zhang. "Met verbeterde ruimtelijke resolutie en spectrale precisie, sSMLM zal bredere toepassingen vinden in beeldvorming met meerdere moleculen in cellen en driedimensionale tracking voor individuele nanodeeltjes in biologisch en chemisch onderzoek."

Naast de geavanceerde beeldvormingsmogelijkheden van het systeem, Het compacte karakter van SDsSMLM zorgt voor eenvoudige integratie en betrouwbare werking met conventionele fluorescentiemicroscoopsystemen. Gecombineerd met een open source plug-in die de onderzoekers ontwikkelden genaamd RainbowSTORM, Zhang hoopt dat andere leden van de biologische onderzoeksgemeenschap deze geavanceerde techniek in hun eigen werk zullen opnemen.

"Ons ontwerp staat op zichzelf en kan in de meeste microscoopsystemen worden geïnstalleerd, " zei Zhang. "We hopen dat andere onderzoekers profiteren van wat we hebben gemaakt."