(PhysOrg.com) -- Onderzoekers ontdekken dat het vermogen om zeer kleine dingen te zien -- objecten 20, 000 keer dunner dan een mensenhaar -- kan helpen bij het beantwoorden van grote biologische vragen. Dat is waarom Jennifer Ross, een natuurkundige van de Universiteit van Massachusetts, Amherst, bouwt een nieuwe microscoop die superresolutie bereikt, waardoor wetenschappers moleculen 100 keer kleiner kunnen zien dan zichtbaar zijn met traditionele lichtmicroscopie.

Onderzoekers ontdekken dat het vermogen om heel kleine dingen te zien - objecten 20, 000 keer dunner dan een mensenhaar - kan helpen bij het beantwoorden van grote biologische vragen. Dat is waarom Jennifer Ross, een natuurkundige van de Universiteit van Massachusetts, Amherst, bouwt een nieuwe microscoop die superresolutie bereikt, waardoor wetenschappers moleculen 100 keer kleiner kunnen zien dan zichtbaar zijn met traditionele lichtmicroscopie.

Ross is vooral geïnteresseerd in het gebruik van de microscoop om te bepalen hoe een gespecialiseerd eiwit, tubuline genaamd, de celdeling regelt. Zij en Patricia Wadsworth, een UMass Amherst-bioloog, werden onlangs bekroond met een $ 684, 000 toegekend door de National Institutes of Health via de American Recovery and Reinvestment Act om een ​​microscoop te ontwikkelen met twee geavanceerde fluorescentietechnieken die onderzoekers de mogelijkheid geven om individuele eiwitmoleculen te observeren en te volgen. UMass Amherst is de tweede universiteit in het land die een van deze gebruikt, genaamd Stochastic Optical Reconstruction Microscopy (STORM).

De nieuwe microscoop, volgend jaar gebouwd worden, zal een veel grotere precisie mogelijk maken bij het identificeren van objecten - zoals bepaalde cellulaire eiwitten - door wetenschappers ze afzonderlijk te laten zien en hun beweging in realtime te laten zien. Ross zegt dat dit vrijwel alle wetenschappelijke disciplines zal helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen over hoe neuronen in de hersenen met elkaar communiceren, wat de meest efficiënte groene energiebronnen zijn.

Met speciale fluorescerende tags die met de nieuwe microscoop worden gebruikt, kan ze individuele moleculen zien die de celdeling regelen - in realtime, in levende cellen. Het zien van individuele tubulines in hun normale omgeving zou haar een beter inzicht moeten geven in hoe processen die zij beheersen mis kunnen gaan. Dit zou kunnen bijdragen aan het begrip van onderzoekers over hoe ongecontroleerde celgroei tot kanker kan leiden.

Tot nu, het observeren van individuele eiwitten heeft ertoe geleid dat deze eiwitten zijn geïsoleerd van de cellen waarin ze werken. Maar het observeren van een enkel molecuul dat uit zijn natuurlijke omgeving is geplukt, betekent dat normale interacties en gedrag verloren gaan. “Zo is de cel niet echt, ’ zegt Roos.

De eerste generatie fluorescentie-eiwitten (waarmee de ontdekkers onlangs een Nobelprijs kregen) hielp dit probleem op te lossen door wetenschappers enige mogelijkheid te bieden om gemarkeerde eiwitten in realtime in cellen te zien interageren. Maar als veel moleculen fluorescent gelabeld zijn in een cel, de hoeveelheid licht die ze uitstralen verhindert waarnemers wat individuele eiwitten aan het doen zijn, omdat ze allemaal tegelijk fluoresceren, het creëren van een glans. Het taggen van alle vergelijkbare eiwitten in een cel levert een afbeelding op die te wazig is om bruikbare gegevens te leveren.

De nieuwe tagging-techniek die met de microscoop wordt gebruikt, lost dit probleem op door een "lichtschakelaar" toe te voegen waarmee de onderzoeker de fluorescerende marker kan bedienen. In plaats van constant aan te staan, fluorescerende tags kunnen afzonderlijk worden geselecteerd om in te schakelen met kleine hoeveelheden paars licht, waardoor elk eiwit afzonderlijk kan worden gezien. Zoals de natuurkundige uitlegt, wanneer slechts een kleine hoeveelheid licht wordt gebruikt, het werkt als een deeltje in plaats van als een golf en prikkelt slechts één fluorescerend gelabeld molecuul tegelijk.

Verder, fluorescentie van deze eiwitten duurt slechts enkele seconden en wordt dan donker. Een andere kleine set eiwitten kan worden ingeschakeld met meer paars licht. Op deze manier gebruikt, de nieuwe, een nauwkeurigere microscoop kan dan een kaart maken van de individuele eiwitten, die is vastgelegd op een hoge resolutie camera.

De nieuwe microscoop lost ook een ander groot probleem op dat verband houdt met de eerste generatie lichtmicroscopen:beelden zijn zo wazig dat moleculen vaak 50 keer groter lijken dan hun werkelijke grootte. Dit is het gevolg van de grote hoeveelheid fluorescentie die elk gelabeld eiwit uitzendt - onderzoekers kunnen geen onderscheid maken tussen het echte object en de vage lichtvlek eromheen. Het effect op onderzoekers lijkt veel op het vragen om een ​​routebeschrijving naar een bepaald kantoor en alleen te horen krijgen in welk gebouw het zich bevindt, Ross legt uit - zonder een exacte locatie, het antwoord is niet nuttig.

De nieuwe fluorescentietechnieken maken gebruik van het feit dat het helderste licht dat door de objecten wordt uitgestraald, uit hun middelpunt komt. Ross en collega's ontwikkelden een wiskundige formule die past bij de vorm van het lichtintensiteitspatroon van een enkel molecuul. Hierdoor kan een computer het centrum van het eiwit binnen 20 miljardsten van een meter lokaliseren in plaats van 200, waardoor het object veel meer op ware grootte lijkt.

Ross vat samen dat zowel de Fluorescence Photoactivated and Localization Microscopy (FPALM) als de STORM-technieken die zij en haar collega's perfectioneren, wetenschappers in staat moeten stellen individuele moleculen te zien door de fluorescerende tags met een kleine hoeveelheid licht te prikkelen. STORM gebruikt iets andere kleurstoffen die kunnen worden "afgestemd" om specifieke moleculen te taggen. Door verschillende eiwitten te taggen met verschillende fluorescerende tags, wetenschappers kunnen ook de dynamiek van meerdere eiwitten tegelijkertijd observeren, niet mogelijk in fluorescentiemicroscopie van de eerste generatie.