Onderzoekers van Helmholtz Zentrum Muenchen hebben een methode ontwikkeld om genexpressie van cellen zichtbaar te maken met een elektronenmicroscoop. Hoewel elektronenmicroscopie momenteel de meest gedetailleerde kijk in cellen biedt, het kan niet onderscheiden welke genetische programma's in individuele cellen draaien. De nieuwe methode kan nu van dichterbij worden bekeken door genetisch geprogrammeerde nanosferen van verschillende groottes te gebruiken als "veelkleurige" markers, wat zelfs nuttig zou kunnen zijn om te onderzoeken hoe herinneringen worden opgeslagen in neuronale netwerken.

Wat gebeurt er precies in cellen? Deze vraag houdt wetenschappers al tientallen jaren bezig. Om kleine structuren te labelen, wetenschappers hebben fluorescerende eiwitten gebruikt. Deze methode werkt goed, maar heeft nadelen vanwege de relatief slechte resolutie van lichtmicroscopen. Hoewel elektronenmicroscopen het van dichterbij kunnen bekijken, zegt prof. dr. Gil Gregor Westmeyer, "tot nu toe zijn er nauwelijks oplossingen voor meerkleurige genetische labeling van cellen voor deze technologie, zodanig dat men verschillende cellen direct van elkaar kan onderscheiden." Hij leidt een onderzoeksgroep aan het Institute for Biological and Medical Imaging (IBMI) van Helmholtz Zentrum München en is hoogleraar Molecular Imaging aan de TUM School of Medicine.

Nanocompartimenten als meerkleurige labels voor elektronenmicroscopie

Westmeyer en collega's werken al geruime tijd met zogenaamde encapsulines. Dit zijn kleine, niet-toxische eiwitten van bacteriën. Encapsulines assembleren automatisch tot nanocompartimenten waarin chemische reacties kunnen plaatsvinden zonder het metabolisme van de cel te verstoren. Afhankelijk van de experimentele omstandigheden, Binnen levende cellen worden via genetische programmering nanocompartimenten met verschillende diameters gevormd. "Analoog aan het kleurenpalet in fluorescentiemicroscopie, onze methode verandert geometrie in een label voor elektronenmicroscopie, ", voegt Felix Sigmund van de onderzoeksgroep van Westmeyer toe.

Om een ​​sterk contrast in de beelden van de elektronenmicroscopie te bereiken, de onderzoekers gebruiken het enzym ferroxidase, die kan worden ingekapseld in het inwendige van encapsulines. Als ijzerionen het inwendige lumen binnendringen via de poriën van de nanocompartimenten, tweewaardige ijzerionen worden door het enzym geoxideerd tot hun driewaardige vorm. Hierdoor ontstaan ​​onoplosbare ijzeroxiden die binnen blijven. Metalen creëren goede contrasten omdat ze elektronen "slikken" - vergelijkbaar met dichte botten in een röntgenfoto, die röntgenstralen sterk absorberen. Deze bijzondere materiaaleigenschap van encapsulines maakt ze duidelijk zichtbaar in de afbeeldingen.

Neuronale banen volgen

Met hun nieuwe methode de onderzoekers gaan nu ook neurale circuits onderzoeken. Ondanks de indrukwekkende resolutie van elektronenmicroscopie, de methode kan bepaalde soorten neuronen in de hersenen niet op betrouwbare wijze onderscheiden. "Met onze nieuwe reportergenen, we zouden specifieke cellen kunnen labelen en dan kunnen uitlezen welk type zenuwcel welke verbindingen maakt en in welke staat de cellen zich bevinden, ", voegt Westmeyer toe.

Deze nieuwe reportertechnologie zou dus ook kunnen helpen om het exacte bedradingsschema van hersenen bloot te leggen en nader te onderzoeken hoe herinneringen worden opgeslagen in neuronale netwerken.