Duitse onderzoekers van Helmholtz-Zentrum Berlin hebben een nieuwe röntgennanotomografiemicroscoop ontwikkeld. Met behulp van hun nieuwe systeem, ze kunnen de structuren op de kleinste componenten van zoogdiercellen in drie dimensies onthullen.

Voor de eerste keer, het is niet nodig om chemisch te repareren, cellen kleuren of knippen om ze te bestuderen. In plaats daarvan, hele levende cellen worden snel ingevroren en bestudeerd in hun natuurlijke omgeving. De nieuwe methode levert direct een 3D-beeld op, waardoor een kloof tussen conventionele microscopische technieken wordt gedicht.

De nieuwe microscoop levert in één stap een 3D-beeld met hoge resolutie van de hele cel. Dit is een voordeel ten opzichte van elektronenmicroscopie, waarin een 3D-beeld is samengesteld uit vele dunne secties. Dit kan tot weken duren voor slechts één cel. Ook, de cel hoeft niet te worden gelabeld met kleurstoffen, in tegenstelling tot fluorescentiemicroscopie, waarbij alleen de gelabelde structuren zichtbaar worden. De nieuwe röntgenmicroscoop maakt daarentegen gebruik van het natuurlijke contrast tussen organisch materiaal en water om een ​​beeld te vormen van alle celstructuren. Dr. Gerd Schneider en zijn microscopieteam bij het Institute for Soft Matter and Functional Materials hebben hun ontwikkeling gepubliceerd in Natuurmethoden .

Met de hoge resolutie bereikt door hun microscoop, de onderzoekers, in samenwerking met collega's van het National Cancer Institute in de VS, hebben adenocarcinoomcellen van muizen in drie dimensies gereconstrueerd. De kleinste details waren zichtbaar:het dubbele membraan van de celkern, nucleaire poriën in de nucleaire envelop, membraankanalen in de kern, talrijke invaginaties van het binnenste mitochondriale membraan en insluitsels in celorganellen zoals lysosomen. Dergelijke inzichten zullen cruciaal zijn om licht te werpen op processen in de cel:zoals hoe virussen of nanodeeltjes in cellen of in de kern doordringen, bijvoorbeeld.

Dit is de eerste keer dat de zogenaamde ultrastructuur van cellen zo nauwkeurig is afgebeeld met röntgenstralen, tot 30 nanometer. Tien nanometer is ongeveer een tienduizendste van de breedte van een mensenhaar. Ultrastructuur is de gedetailleerde structuur van een biologisch monster dat te klein is om met een optische microscoop te worden gezien.

Onderzoekers bereikten deze hoge 3D-resolutie door de minuscule structuren van het bevroren gehydrateerde object te verlichten met gedeeltelijk coherent licht. Dit licht wordt gegenereerd door BESSY II, de synchrotronbron bij HZB. Gedeeltelijke coherentie is de eigenschap van twee golven waarvan de relatieve fase willekeurige fluctuaties ondergaat die niet, echter, voldoende om de golf volledig onsamenhangend te maken. Verlichting met gedeeltelijk coherent licht genereert een aanzienlijk hoger contrast voor details van kleine objecten in vergelijking met onsamenhangende verlichting. Door deze benadering te combineren met een lens met hoge resolutie, de onderzoekers waren in staat om de ultrastructuren van cellen te visualiseren met een tot dan toe onbereikbaar contrast.

De nieuwe röntgenmicroscoop zorgt ook voor meer ruimte rond het monster, wat leidt tot een beter ruimtelijk zicht. Deze ruimte is altijd sterk beperkt geweest door de opstelling voor de monsterverlichting. Het vereiste monochromatische röntgenlicht werd gecreëerd met behulp van een radiaal raster en vervolgens, van dit licht, een diafragma zou het gewenste golflengtebereik selecteren. Het diafragma moest zo dicht bij het monster worden geplaatst dat er bijna geen ruimte was om het monster om te draaien. De onderzoekers hebben deze opstelling aangepast:Monochromatisch licht wordt opgevangen door een nieuw type condensor die het object direct verlicht, en het diafragma is niet meer nodig. Hierdoor kan het monster tot 158 ​​graden worden gedraaid en in drie dimensies worden waargenomen. Deze ontwikkelingen bieden een nieuw hulpmiddel in de structurele biologie voor een beter begrip van de celstructuur.