Eiwitten en moleculen worden op natuurlijke wijze opgebouwd en afgebroken als onderdeel van veel essentiële biologische processen. Het is erg moeilijk om deze mechanismen waar te nemen, die vaak complex zijn en op nanometerschaal plaatsvinden, veel kleiner dan het normale zichtbare bereik. Bij EPFL, echter, een interdisciplinair team van onderzoekers heeft een techniek bedacht en toegepast waarmee deze mechanismen met ongekende precisie kunnen worden onderzocht. Hun werk is het onderwerp van een paper gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

Nanometrische structuren zijn alleen te zien met speciale microscopen, zoals atoomkrachtmicroscopen, die halverwege de jaren tachtig werden uitgevonden. Deze instrumenten creëren een beeld door de topografie van het monster fysiek te "voelen" met een atomair scherpe punt aan het einde van een kleine cantilever. Het monster wordt vervolgens punt voor punt gescand om een ​​afbeelding te maken. Aangezien dit tijd kost, alleen statische monsters kunnen worden afgebeeld met conventionele atomic force microscopen. Echter, dit heeft geen zin wanneer wetenschappers willen kijken naar minuscule monsters die in de loop van de tijd veranderen, zoals eiwitsamenstellingen.

"Verandering is essentieel voor levende materie en daarom cruciaal voor biologische processen, " legt prof. Georg Fantner uit, die het EPFL-laboratorium voor bio- en nano-instrumentatie (LBNI) leidt. "Dus het was essentieel dat we een manier vonden om het te observeren."

Om processen op een monster te observeren die in de loop van de tijd veranderen, de scansnelheid moet worden verhoogd. Echter, in traditionele snelle atoommicroscopen, de krachten die door de meting worden uitgeoefend, kunnen het moleculaire assemblageproces verstoren, vooral omdat eiwitsamenstellingen vaak erg kwetsbaar zijn. De EPFL-onderzoekers vonden een methode die het probleem oploste, door de fysieke interactie van de scherpe punt zeer nauwkeurig te regelen met behulp van gepulseerd laserlicht. Dit verhoogde de scansnelheid dramatisch terwijl de zachte maar uiterst nauwkeurige scanbeweging behouden bleef.

2, 000 regels per seconde

"We hebben dit bereikt door twee lasers in de microscoop te gebruiken, waarvan er een is gericht op de basis van de cantilever, plaatselijk verhitten en daardoor licht buigen, " zegt Adrian Nievergelt, een doctoraat student bij LBNI en co-eerste auteur van de paper. "Door de cantilever te buigen, we kunnen het oppervlak veel sneller aftasten, terwijl u toch de algehele beweging goed onder controle houdt. In aanvulling, we hebben de prestaties van het algehele systeem verbeterd, waardoor we maximaal 2 kunnen scannen, 000 regels per seconde."

De onderzoekers testten deze nieuwe technologie om de dynamiek van de vorming van SAS-6-eiwitringen te analyseren. Deze eiwitfamilie speelt een sleutelrol bij de assemblage van centriolen, dat zijn minuscule organellen die zijn geconserveerd van algen tot mannen, fundamenteel voor celmotiliteit en celdeling. Met het nieuwe instrument konden de onderzoekers voor het eerst de verschillende stadia van de ringassemblage van SAS-6-eiwitten in realtime visualiseren "Dit is een cruciale game-wisselaar voor het veld", zegt prof. Pierre Gönczy, een expert in centriole biologie en co-auteur van de studie. "Nu hebben we eindelijk een methode om direct te observeren hoe deze kritische celcomponent wordt geassembleerd tot een ringachtig polymeer", voegt Niccolò Banterle toe, een postdoctoraal onderzoeker in het Gönczy-laboratorium en co-eerste auteur van de studie. "Dit stelt ons in staat om beter te begrijpen hoe de natuur de assemblage van enkele van de kleinste bouwstenen van het leven controleert."