Er is een subcellulaire wereld geopend voor wetenschappers om te bestuderen E coli en andere weefsels op nieuwe manieren, dankzij een microscopiemethode die stiekem driedimensionale, hoogwaardige afbeeldingen van de interne structuur van cellen zonder het monster te verstoren.

Door een nieuw algoritme te combineren met een recent ontwikkelde add-on-techniek voor commerciële microscopen, onderzoekers van de Universiteit van Illinois hebben een snelle, niet-invasieve 3D-methode voor het visualiseren, kwantificeren, en het bestuderen van cellen zonder het gebruik van fluorescentie- of contrastmiddelen.

In een artikel dat vandaag online is gepubliceerd in het tijdschrift PLoS ONE , de onderzoekers die de techniek ontwikkelden, meldden dat ze het konden gebruiken om de E coli bacteriën met een combinatie van snelheid, schaal, en ongeëvenaarde resolutie voor een labelloze methode.

De methode is gebaseerd op een breedband interferometrische techniek die bekend staat als Spatial Light Interference Microscopy (SLIM) en die is ontworpen door Gabriel Popescu, onderzoeker van het Beckman Institute, als een add-on module voor een commerciële fasecontrastmicroscoop. SLIM is extreem snel en gevoelig op meerdere schalen (vanaf 200 nm en hoger), maar, als een lineair optisch systeem, de resolutie wordt beperkt door diffractie.

Door een nieuw deconvolutie-algoritme toe te passen om sub-diffractie beperkte resolutie-informatie op te halen uit de velden gemeten door SLIM, Popescu en zijn collega-onderzoekers waren in staat om tomografische beelden weer te geven met een resolutie die de diffractielimieten van SLIM overschreed. Ze gebruikten de spaarzame reconstructiemethode om 3D-gereconstrueerde afbeeldingen van E coli cellen, waardoor labelvrije visualisatie van de specimens op subcellulaire schalen mogelijk is.

Vorig jaar hebben de onderzoekers met succes een nieuwe optische techniek gedemonstreerd die 3D-metingen van complexe velden biedt, genaamd Spatial Light Interference Tomography (SLIT) op levende neuronen en fotonische kristalstructuren. In dit project ontwikkelden ze een nieuw algoritme om de driedimensionale mogelijkheden verder uit te breiden door deconvolutie uit te voeren op het gemeten 3D-veld, gebaseerd op het modelleren van de afbeelding met behulp van sparsity-principes. Deze microscopische mogelijkheid, genaamd dSLIT, werd gebruikt om opgerolde subcellulaire structuren in E coli cellen.

De onderzoekers zeiden dat deze structuren alleen zijn waargenomen met behulp van gespecialiseerde stammen en plasmiden en fluorescentietechnieken, en meestal op niet-levende cellen. Deze nieuwe methoden bieden een praktische manier voor niet-invasieve studie van dergelijke structuren.

Mustafa Mir is eerste auteur op het papier en lid van Popescu's Quantitative Light Imaging Laboratory bij Beckman. Mir zei dat het bestuderen en begrijpen van de driedimensionale interne structuur van levende cellen essentieel is voor het bevorderen van ons begrip van de biologische functie.

"Het visualiseren ervan is extreem uitdagend vanwege hun kleine formaat en transparante karakter, "Zei Mir. "Deze nieuwe methode, echter, biedt een manier om te profiteren van de intrinsieke eigenschappen van deze zeer kleine, transparante cellen niet-invasief en zonder het gebruik van fluorescentietechnieken en contrastmiddelen.

"Eerdere studies hebben dus gebruik gemaakt van extrinsiek contrast zoals fluorescentie en gespecialiseerde stammen in combinatie met complexe superresolutietechnieken voor dergelijke studies. Dit zal biologen in staat stellen om subcellulaire structuren te bestuderen terwijl de cel minimaal wordt verstoord vanuit zijn natuurlijke staat."

De onderzoekers schreven dat de methode twee belangrijke problemen in celmicroscopie aanpakt:gebrek aan contrast, vanwege de dunne en optisch transparante aard van cellen, en diffractie beperkte resolutie.

"Hoewel er al verschillende van dergelijke structuren zijn geïdentificeerd, er is weinig bekend over hun functie en gedrag vanwege de praktische moeilijkheden bij het afbeelden ervan, " concludeerden zij. "De hier gepresenteerde resultaten geven aan dat dSLIT kan worden gebruikt om een ​​dergelijke subcellulaire structuur op een praktische en niet-invasieve manier te karakteriseren en te bestuderen, het openen van de deur voor een meer diepgaand begrip van de biologie."