Zes jaar geleden, de Nobelprijs voor scheikunde werd toegekend aan drie wetenschappers voor het vinden van manieren om de paden van individuele moleculen in levende cellen te visualiseren.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Rochester en het Fresnel Instituut in Frankrijk hebben een manier gevonden om die moleculen nog gedetailleerder te visualiseren, hun positie en oriëntatie in 3D tonen, en zelfs hoe ze wiebelen en oscilleren. Het werk zou waardevolle inzichten kunnen verschaffen in de biologische processen die erbij betrokken zijn, bijvoorbeeld, wanneer een cel en de eiwitten die de functies ervan reguleren reageren op het virus dat COVID-19 veroorzaakt.

"Als een eiwit van vorm verandert, het stelt andere atomen bloot die het biologische proces versterken, dus de vormverandering van een eiwit heeft een enorm effect op andere processen in de cel, " zegt Sophie Brasselet, directeur van het Fresnel Instituut, die samenwerkte met Miguel Alonso en Thomas Brown, beide professoren in de optica aan Rochester.

Bijgenaamd CHIDO - voor "Coördinaten en hoogte superresolutie beeldvorming met dithering en oriëntatie" - de technologie wordt beschreven in een nieuw artikel gepubliceerd in Natuurcommunicatie . Ontworpen en gebouwd door hoofdauteurs Valentina Curcio, een doctoraat student in de groep van Brasselet, en Luis Aleman-Castaneda, een doctoraat student in de groep van Alonso, CHIDO is nauwkeurig binnen "tientallen nanometers in positie en een paar graden oriëntatie" bij het bepalen van de parameters van afzonderlijke moleculen, ’ meldt het team.

Met behulp van een glasplaat onderworpen aan uniforme spanning rondom de omtrek, het apparaat kan golflengteoscillaties en polarisatieveranderingen creëren en extrapoleren die optreden wanneer moleculen worden waargenomen in een fluorescentiemicroscoop. De nieuwe technologie transformeert het beeld van een enkele molecuul in een vervormd brandpunt, waarvan de vorm direct meer precieze 3D-informatie codeert dan eerdere meetinstrumenten. In werkelijkheid, CHIDO kan stralen produceren die elke mogelijke polarisatietoestand hebben.

"Dit is een van de schoonheden van optica, ", zegt Brown. "Als je een apparaat hebt dat zowat elke polarisatietoestand kan creëren, dan heb je ook een apparaat dat zowat elke mogelijke polarisatietoestand kan analyseren."

De glasplaat is ontstaan ​​in het laboratorium van Brown als onderdeel van zijn lange interesse in het ontwikkelen van bundels met ongebruikelijke polarisaties. Alonso, een expert in de theorie van polarisatie, werkte met Brown aan manieren om dit "zeer eenvoudige maar zeer elegante apparaat" te verfijnen en zijn toepassingen uit te breiden. Tijdens een bezoek aan Marseille, Alonso beschreef het bord aan Brasselet, een expert in nieuwe instrumentatie voor fluorescentie en niet-lineaire beeldvorming. Brasselet suggereerde meteen het mogelijke gebruik ervan in de microscopietechnieken waaraan ze werkte om individuele moleculen in beeld te brengen.

"Het is een heel complementair team geweest, ' zegt Brasselet.

20 jaar in de maak

in 1873, Ernst Abbe stelde dat microscopen nooit een betere resolutie zouden krijgen dan de helft van de golflengte van licht. Die barrière stond totdat Nobelprijswinnaars Eric Betzig en William Moerner - met hun microscopie met één molecuul - en Stefan Hell - met zijn gestimuleerde emissie-uitputtingsmicroscopie - manieren vonden om het te omzeilen.

"Dankzij hun prestaties kan de optische microscoop nu in de nanowereld turen, ', meldde het Nobelcomité in 2014.

"Wat ontbrak in die Nobelprijs en het werk in de daaropvolgende jaren was het vermogen om niet alleen de locatie van een molecuul nauwkeurig te kennen, maar om zijn richting en vooral zijn beweging in drie dimensies te kunnen karakteriseren, ' zegt Bruin.

In feite, de oplossing Bruin, Alonso, en Brasselet nu beschrijven had zijn oorsprong 20 jaar geleden.

Vanaf 1999, Brown en een van zijn Ph.D. studenten, Kathleen Youngworth, begon ongebruikelijke optische stralen te onderzoeken die ongebruikelijke patronen van optische polarisatie vertoonden, de oriëntatie van de optische golf. Sommige balken vertoonden een spaakachtig radiaal patroon met intrigerende eigenschappen.

Youngworth demonstreerde op een tafelblad dat, wanneer strak gefocust, de bundels vertoonden polarisatiecomponenten die in drie dimensies in bijna elke richting wezen.

Alexis Spilman Vogt, een andere doctoraat kandidaat, werkte vervolgens met Brown aan het creëren van dezelfde effecten door spanning uit te oefenen op de randen van een glazen cilinder. De zwager van Brown, Robert Samson, een bekwaam gereedschaps- en matrijsspecialist, werd opgeroepen om enkele monsters te fabriceren en ze in metalen ringen te plaatsen voor gebruik met een confocale microscoop.

Hierbij werden zowel de glazen als de metalen ringen verwarmd. "Metaal zet sneller uit als je het verwarmt dan glas, "Brown zegt, "en zo kon je het glas en het metaal heel heet opwarmen, plaats het glas in het midden van het metaal, en als het afkoelt, zou het metaal krimpen en een enorme kracht creëren op de periferie van het glas."

Sampson oefende per ongeluk meer spanning uit dan nodig was met een van de platen. Zodra zijn zwager het hem overhandigde, Brown wist dat het bord ongebruikelijke eigenschappen had. De Rochester-groep introduceerde de term "stress-engineered optic" om de elementen te beschrijven en, naarmate ze meer leerden over zowel het fysieke gedrag als de wiskunde, ze realiseerden zich dat de vensters het pad konden zijn voor het oplossen van geheel nieuwe problemen in de microscopie.

En dat was de oorsprong van wat nu CHIDO is, die, toevallig, is toevallig Mexicaans jargon voor 'cool'.

"Destijds wisten Alexis en ik dat het door spanning ontworpen glas interessant was, en zou waarschijnlijk nuttige toepassingen hebben; we wisten op dat moment gewoon niet wat ze zouden kunnen zijn, " zegt Brown. Nu, dankzij zijn samenwerking met Alonso en Brasselet, hij hoopt dat CHIDO "tot de verbeelding spreekt" van andere onderzoekers in het veld die kunnen helpen de technologie verder te verfijnen en toe te passen.