De Universiteit van Californië, San Diego's Nanofabrication Cleanroom Facility (Nano3) is de eerste instelling die een nieuwe FEI Scios dual-beam microscoop heeft verkregen, met een aanpassing voor gebruik bij cryogene temperaturen. De nieuwe microscoop zal onderzoek mogelijk maken onder een zeer diverse gebruikersgroep, variërend van materiaalkunde tot structurele en moleculaire biologie.

Zoals Bernd Fruhberger, technisch directeur van Nano3 uitlegt:"Er is een enorme interesse in het gebruik van dit instrument onder faculteiten van meerdere afdelingen. De afdelingen Nanoengineering, Materialen en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, Elektrotechniek en computertechniek, Scheikunde, Natuurkunde en biologie aan UC San Diego hebben allemaal projecten die deze tool nodig hebben, en zijn actief betrokken geweest bij het realiseren van de aanschaf van de tool.

"Het instrument biedt state-of-the-art mogelijkheden voor dwarsdoorsneden, voorbereiding van secties voor transmissie-elektronenmicroscopie en meer, " hij voegt toe, "maar wat het echt onderscheidt, is de nieuwe cryo-mogelijkheid, waardoor celbiologen de structuren van biologische cellen in hogere resolutie kunnen zien om beter te begrijpen hoe cellen op moleculair niveau functioneren. Dit kan mogelijk de weg vrijmaken voor nieuwe behandelingen en het ontdekken van medicijnen."

Elisabeth Villa, een nieuwe assistent-professor in de afdeling Chemie en Biochemie aan de UC San Diego, samen met haar collega's van het Duitse Max Planck Instituut voor Biochemie, heeft tijdens haar postdoctorale studies een gefocusseerde ionenbundelmicroscoop aangepast voor biologische toepassingen. Het ontwerp is door het Nederlandse bedrijf FEI overgenomen tot een uniek prototype dat Villa in samenwerking met het bedrijf verder zal ontwikkelen in UC San Diego.

Villa merkt op dat UC San Diego een gevestigde academische traditie heeft op het gebied van moleculaire beeldvorming - met name weerspiegeld in het werk van biochemicus Roger Tsien. Tsien won in 2008 de Nobelprijs voor Scheikunde voor de ontdekking en ontwikkeling van het groen fluorescerende eiwit, die een revolutie teweegbracht op het gebied van celbiologie en neurobiologie door wetenschappers in staat te stellen in levende cellen te kijken en hun gedrag in realtime te bekijken.

"Wat ik doe is vergelijkbaar, " legt Villa uit, "alleen ik gebruik elektronenmicroscopie, waardoor we beelden met een hogere resolutie krijgen. Het idee achter onze methode is om mensen die aan structurele biologie doen samen te brengen met mensen die aan celbiologie doen door een nieuw hulpmiddel te gebruiken waarmee we de structuren van de cellen kunnen zien, met hoge resolutie, en beter begrijpen wat moleculen doen."

Om het verschil tussen lichtmicroscopie (waardoor Tsiens werk mogelijk werd) en haar werk in elektronenmicroscopie uit te leggen, Villa roept een metafoor op.

"Lichtmicroscopie is als het geven van lantaarns aan een stel mensen in een stad. Je kunt zien waar die mensen zijn, maar je kunt niet zien wat er om hen heen gebeurt. Met elektronenmicroscopie, je kunt de mensen met lantaarns zien (de moleculen van een cel) en je kunt ook de muren en gebouwen van de stad zien (de structuur van de cel)."

Maar elektronenmicroscopie heeft ook een keerzijde. traditioneel, zichtbaar zijn, cellen moeten vooraf worden voorbereid door ze te drogen en te beitsen met wat Villa gelijkstelt aan een "dikke verflaag". Echter, de meeste cellen zijn te dik om op deze manier te bestuderen, en dat is wat de Scios-tool tot een game-wisselaar maakt:Villa kan de vlek omzeilen en de cellen nanomachine maken om ze te verkleinen tot de dikte die nodig is voor elektronenmicroscopie - ongeveer een paar tienden van een micron - zonder monstervervormingen te veroorzaken en met behoud van cryogene temperaturen (meestal de temperatuur van vloeibare stikstof).

Villa voegt toe:"Er zijn mensen op de campus, zoals professor neurowetenschappen Mark Ellisman, die fantastisch werk leveren door dit soort vlekken te ontwerpen en te gebruiken. maar wanneer het doel is om een ​​afbeelding met hoge resolutie te krijgen van de cellen waarbij het gaat om het bepalen van structurele details, je wilt voorkomen dat je deze extra laag er bovenop hebt. Het zou zijn alsof je een laag verf over je gezicht hebt en dan probeert te tellen hoeveel wimpers je hebt. Je zou failliet zijn."

Villa vergelijkt het proces van het bestuderen van cellen (meestal eukaryote cellen, in haar geval) bij cryogene temperaturen om de cellulaire 'stad' in haar vorige metafoor te 'flitsen'.

"Alles in de cel bevriest in de positie waarin het zich bevond, zodat we het beter kunnen bekijken, "zegt ze. "Eén ding dat ik heb bestudeerd, is iets dat bekend staat als het nucleaire poriecomplex, die de poortwachter van de kern is. Het houdt het DNA in de kern en weg van de andere delen van de cel. Als we het helemaal uit de cel zouden halen om het te bestuderen, het zou niet veel zin hebben, daarom moeten we het op zijn plaats bevriezen.

"Met cryo-elektronentomografietechnieken, we kunnen 3D-afbeeldingen maken van de cellen die tomogrammen worden genoemd, " vervolgt ze. "Wat ik doe is precies gelijk aan een CT (computertomografie) scan, behalve dat de cellen een miljoen keer kleiner zijn. We kunnen die 3D-beelden nemen en ze bekijken in de (Qualcomm Institute's) StarCAVE of NexCAVE vergroot en in kleur, en een nog beter idee krijgen van wat er aan de hand is."

Villa voegt eraan toe dat een ander voordeel van cryo-elektronenmicroscopie het vermogen is om cellulaire dynamiek in de loop van de tijd af te leiden, "of wat we in de natuurkunde 'ergodiciteit' noemen. Ik kan kijken naar 3, 000 nucleaire poriën bevroren op verschillende tijdstippen om de cellulaire dynamiek af te leiden, classificeer al deze informatie en maak vervolgens voorspellingen. We kunnen dan een lichtmicroscopie-experiment in vivo doen (met een levende cel) en wat we zien correleren met de eerdere gegevens die we hebben verzameld."

Villa wijst erop dat door de Scios dual beam te gebruiken voor nanobewerking van biologisch materiaal, ze in zekere zin, "het kapen van een hulpmiddel dat materiaalwetenschappers altijd gebruiken bij de nanofabricage van materialen."

De Scios-microscoop zal ook gepland door UC San Diego geleid onderzoek naar neurodegeneratieve ziekten vergemakkelijken, zegt Villa, evenals onderzoek met betrekking tot kanker en hartziekten.

"Veel soorten verstoringen of fenotypes die voortkomen uit ziekte of herstel van ziekte zullen kunnen worden onderzocht met behulp van de Scios-microscoop, " merkt ze op. "Het is belangrijk op te merken dat dit een eerste stap is en dat er nog veel werk aan de winkel is, maar het plaatst ons op een heel opwindende plek waar we ernaar streven om moleculaire structuren in hun natuurlijke context te bekijken:van het cel- tot het organismeniveau."