Wanneer steden veranderen in een kleurrijke wereld van licht als de duisternis valt, is het vaak alleen mogelijk om hun contouren in te schatten, wat afhankelijk van het perspectief de aandacht kan vestigen op belangrijke details of trivia. Bij fluorescentiemicroscopie worden biologische cellen gemarkeerd met fluorescerende kleurstoffen en geëxciteerd om in specifieke gebieden op te lichten door optische schakelaars, zoals een stad 's nachts. Dit licht is echter meestal te zwak voor kleine, snelle objecten, of gaat na een tijdje zelfs uit. Dit staat bekend als "fluorescentiebleking".

Nu heeft een nieuwe benadering ontwikkeld door Prof. Dr. Alexander Rohrbach en zijn team in het Laboratorium voor Bio- en Nano-Fotonica aan de Universiteit van Freiburg een manier gevonden om de kleinste objecten duidelijk zichtbaar te maken zonder fluorescentie. Op deze manier kunnen celstructuren of deeltjes ter grootte van een virus 100 tot 1000 keer langer, tien tot 100 keer sneller en met bijna dubbele resolutie worden waargenomen dan met fluorescentiemicroscopie. Terwijl fluorescentiemicroscopie vastlegt wat je 'nachtbeelden' van structuren zou kunnen noemen, neemt ROCS-microscopie 'dagbeelden' - tegenstellingen die elkaar uitstekend kunnen aanvullen. Rohrbach en zijn collega's beschrijven verschillende toepassingen van de technologie in het laatste nummer van Nature Communications .

Gerichte blauwe laser verlicht het object onder een schuine hoek

De technologie die ze gebruiken staat bekend als "Rotating Coherent Scattering" (ROCS) en maakt gebruik van een snel roterende blauwe laserstraal. "We maken gebruik van verschillende fysieke verschijnselen die bekend zijn uit het dagelijks leven", legt Rohrbach uit. we zien als blauwe lucht." Kleine objecten verstrooien en sturen ruwweg tien keer meer blauwe dan rode lichtdeeltjes naar de camera en geven daardoor waardevolle informatie door.

Ten tweede richt ROCS een blauwe laser onder een zeer schuine hoek op de biologische objecten, omdat dit het contrast en de resolutie aanzienlijk verhoogt. Dat is ons ook al bekend:als je een wijnglas schuin tegen het licht houdt, zie je veel makkelijker vuil of vingerafdrukken. Ten derde verlichten de wetenschappers het object achtereenvolgens vanuit elke richting met de schuine laserstraal, omdat verlichting vanuit slechts één richting veel artefacten zou produceren.

100 afbeeldingen per seconde van levende cellen

De natuurkundige en ingenieurs van Freiburg van de afdeling Microsystems Engineering (IMTEK) draaien de schuine laserstraal honderd keer per seconde rond het object en produceren daarbij 100 beelden per seconde. "Dus in tien minuten hebben we al 60.000 beelden van levende cellen, die veel dynamischer blijken te zijn dan eerder werd gedacht", zegt Rohrbach. Dynamische analyses als deze vergen echter enorme rekenkracht om slechts één minuut beeldmateriaal te verwerken. Daarom moesten eerst verschillende computeralgoritmen en analytische processen worden ontwikkeld om de gegevens goed te kunnen interpreteren.

Samen met zijn collega Dr. Felix Jünger en in samenwerking met verschillende onderzoeksgroepen in Freiburg, kon Rohrbach de capaciteit van de microscoop aantonen met behulp van verschillende celsystemen:"Ons primaire doel was niet om mooie foto's of films van de onverwacht hoge dynamische van cellen - we wilden nieuwe biologische inzichten krijgen." De ROCS-technologie stelde hen bijvoorbeeld in staat te observeren hoe mestcellen in slechts enkele milliseconden kleine poriën openen wanneer ze worden gestimuleerd, om bolvormige korrels uit te werpen met een onverklaarbare hoge kracht en snelheid. De korrels bevatten de transmitter histamine, wat vervolgens kan leiden tot allergische reacties.

Het bindingsgedrag van deeltjes ter grootte van een virus observeren

In een andere reeks experimenten waren de onderzoekers in staat om te observeren hoe kleine deeltjes ter grootte van een virus in ongelooflijke snelheid rond het ruige oppervlak van aasetercellen dansen, waarbij ze verschillende pogingen deden om een ​​​​bindend punt op de cel te vinden. Deze waarnemingen dienden als pretests voor momenteel lopende onderzoeken naar het bindingsgedrag van coronavirussen.

Daarnaast is de ROCS-technologie gebruikt binnen het collaboratieve onderzoekscluster CRC 1425 over de vorming van littekens in hartlaesies. Fibroblasten, dat zijn littekenweefselcellen, vormen 100 nanometer dunne buisjes, zogenaamde nanobuisjes, die 1000 keer dunner zijn dan een haar. Door deze nieuwe technologie konden Jünger en Rohrbach ontdekken dat deze buizen thermisch trillen op millisecondenschaal, maar deze beweging neemt na verloop van tijd af. Volgens wiskundige analyses van activiteit duidt dit op een mechanische verstijving van de nanobuisjes.

In andere experimenten waren de wetenschappers eindelijk in staat om meer dan vele duizenden afbeeldingen te observeren hoe filopodia - de "vingers" van aaseters - hun omgeving afspeuren naar prooien met behulp van een complexe dither-beweging en hoe filopodia hun cytoskelet met voorheen onbekende snelheden kan veranderen. + Verder verkennen

Wetenschappers ontwikkelen concept voor feedbackgestuurde optische pincet