(PhysOrg.com) -- Met behulp van de nieuwe techniek, onderzoekers waren in staat om de 3D-morfologie en structuur van cellulaire organellen te identificeren, inclusief de celwand, vacuole, endoplasmatisch reticulum, mitrochondriën, korrels en nucleolus.

Driedimensionale beeldvorming breidt het vermogen van onderzoekers om biologische specimens te onderzoeken drastisch uit, een kijkje in hun interne structuren mogelijk te maken. En recente ontwikkelingen in röntgendiffractiemethoden hebben ertoe bijgedragen dat de limiet van deze benadering is verlegd.

Hoewel er aanzienlijke vooruitgang is geboekt in optische microscopie om de diffractiebarrière te doorbreken, dergelijke technieken zijn gebaseerd op fluorescerende etiketteringstechnologieën, die de kwantitatieve 3D-beeldvorming van de volledige inhoud van cellen verbieden. Cryo-elektronenmicroscopie kan structuren in beeld brengen met een resolutie van 3 tot 5 nanometer, maar dit werkt alleen met dunne of doorgesneden exemplaren.

En hoewel röntgeneiwitkristallografie momenteel de primaire methode is om de 3D-structuur van eiwitmoleculen te bepalen, veel biologische exemplaren — zoals hele cellen, cellulaire organellen, sommige virussen en veel belangrijke eiwitmoleculen — zijn moeilijk of onmogelijk te kristalliseren, waardoor hun structuren ontoegankelijk worden. Het overwinnen van deze beperkingen vereist het gebruik van verschillende technieken.

Nutsvoorzieningen, in een krant die vandaag is gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences , UCLA-onderzoekers en hun medewerkers demonstreren het gebruik van een unieke röntgendiffractiemicroscoop waarmee ze de interne structuur van gistsporen konden onthullen. Het team rapporteert de kwantitatieve 3D-beeldvorming van een geheel, ongekleurde cel met een resolutie van 50 tot 60 nanometer met behulp van röntgendiffractiemicroscopie, ook wel lensloze beeldvorming genoemd.

Onderzoekers identificeerden de 3D-morfologie en structuur van cellulaire organellen, inclusief de celwand, vacuole, endoplasmatisch reticulum, mitrochondriën, korrels en nucleolus. Het werk kan een deur openen naar het identificeren van de individuele eiwitmoleculen in hele cellen met behulp van labeltechnologieën.

De hoofdauteurs op het papier zijn Huaidong Jiang, een UCLA-assistent-onderzoeker in natuurkunde en sterrenkunde, en John Miao, een UCLA hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde. Het werk is het resultaat van een samenwerking die drie jaar geleden is gestart met Fuyu Tamanoi, UCLA hoogleraar microbiologie, immunologie en moleculaire genetica. Miao en Taanoi zijn beide onderzoekers aan het California NanoSystems Institute van de UCLA. Andere medewerkers zijn teams van Riken Spring 8 in Japan en het Institute of Physics, Academia Sinica, in Taiwan.

"Dit is de eerste keer dat mensen in staat zijn geweest om in de 3D interne structuur van een biologisch exemplaar te kijken, zonder het in secties te snijden, met behulp van röntgendiffractiemicroscopie, ' zei Miao.

"Door het gebruik van röntgenlenzen te vermijden, de resolutie van röntgendiffractiemicroscopie wordt uiteindelijk beperkt door stralingsschade aan biologische monsters. Met behulp van cryogene technologieën, 3D-beeldvorming van hele biologische cellen met een resolutie van 5 tot 10 nanometer moet haalbaar zijn, " Zei Miao. "Ons werk effent dus een weg voor kwantitatieve 3D-beeldvorming van een breed scala aan biologische monsters met resoluties op nanometerschaal die te dik zijn voor elektronenmicroscopie."

Tamanoi bereidde de gistsporenmonsters die in dit onderzoek werden geanalyseerd. Sporen zijn gespecialiseerde cellen die worden gevormd wanneer ze onder voedselarme omstandigheden worden geplaatst. Cellen gebruiken deze overlevingsstrategie om met barre omstandigheden om te gaan.

"Biologen wilden interne structuren van de sporen onderzoeken, maar eerdere microscopische onderzoeken gaven alleen informatie over de oppervlaktekenmerken. We zijn erg verheugd om de spore in 3D te kunnen bekijken", zei Tamanoi. "We kunnen nu kijken naar de structuur van andere sporen, zoals miltvuursporen en vele andere schimmelsporen. Het is ook belangrijk erop te wijzen dat gistsporen even groot zijn als veel intracellulaire organellen in menselijke cellen. Deze kunnen in de toekomst worden onderzocht."

Sinds de eerste experimentele demonstratie door Miao en medewerkers in 1999, coherente diffractiemicroscopie is toegepast voor het afbeelden van een breed scala aan materiaalwetenschappelijke en biologische monsters, zoals nanodeeltjes, nanokristallen, biomaterialen, cellen, cellulaire organellen, virussen en koolstofnanobuisjes met behulp van röntgenstraling, elektronen- en laserfaciliteiten wereldwijd. Tot nu, echter, het probleem van stralingsschade en de moeilijkheid om hoogwaardige 3D-diffractiepatronen van individuele hele cellen te verkrijgen, hebben de succesvolle 3D-beeldvorming met hoge resolutie van biologische cellen door röntgendiffractie verhinderd.