Met behulp van een gewone lichtmicroscoop, MIT-ingenieurs hebben een techniek ontwikkeld om biologische monsters met een nauwkeurigheid van 10 nanometer in beeld te brengen, waardoor ze virussen en mogelijk zelfs afzonderlijke biomoleculen kunnen afbeelden. zeggen de onderzoekers.

De nieuwe techniek bouwt voort op expansiemicroscopie, een benadering waarbij biologische monsters in een hydrogel worden ingebed en deze vervolgens worden uitgebreid voordat ze worden afgebeeld met een microscoop. Voor de nieuwste versie van de techniek, de onderzoekers ontwikkelden een nieuw type hydrogel dat een meer uniforme configuratie behoudt, waardoor een grotere nauwkeurigheid mogelijk is bij het afbeelden van kleine structuren.

Deze mate van nauwkeurigheid zou de deur kunnen openen naar het bestuderen van de fundamentele moleculaire interacties die het leven mogelijk maken, zegt Edward Boyden, de Y. Eva Tan Professor in Neurotechnologie, een professor in biologische engineering en hersen- en cognitieve wetenschappen aan het MIT, en lid van MIT's McGovern Institute for Brain Research en Koch Institute for Integrative Cancer Research.

"Als je individuele moleculen zou kunnen zien en identificeren wat voor soort ze zijn, met een nauwkeurigheid van enkele nanometers, dan kun je misschien echt naar de structuur van het leven kijken. en structuur, zoals een eeuw moderne biologie ons heeft verteld, regelt de functie, " zegt Boyden, wie is de senior auteur van de nieuwe studie.

De hoofdauteurs van het artikel, die vandaag verschijnt in Natuur Nanotechnologie, zijn MIT-onderzoeker Ruixuan Gao en Chih-Chieh "Jay" Yu Ph.D. '20. Andere auteurs zijn onder meer Linyi Gao Ph.D. '20; voormalig MIT-postdoc Kiryl Piatkevich; Rachel Neve, directeur van de Gene Technology Core in het Massachusetts General Hospital; James Munro, een universitair hoofddocent microbiologie en fysiologische systemen aan de University of Massachusetts Medical School; en Srigokul Upadhyayula, een voormalig assistent-professor kindergeneeskunde aan de Harvard Medical School en een assistent-professor in de residentie van cel- en ontwikkelingsbiologie aan de University of California in Berkeley.

Goedkoop, hoge resolutie

Veel laboratoria over de hele wereld zijn begonnen met het gebruik van expansiemicroscopie sinds het laboratorium van Boyden het voor het eerst introduceerde in 2015. Met deze techniek, onderzoekers vergroten hun monsters fysiek ongeveer viervoudig in lineaire dimensie voordat ze worden afgebeeld, waardoor ze beelden met een hoge resolutie kunnen genereren zonder dure apparatuur. Boyden's lab heeft ook methoden ontwikkeld voor het labelen van eiwitten, RNA, en andere moleculen in een monster zodat ze kunnen worden afgebeeld na expansie.

"Honderden groepen doen aan expansiemicroscopie. Er is duidelijk een opgehoopte vraag naar een gemakkelijke, goedkope methode van nano-imaging, " zegt Boyden. "Nu is de vraag, hoe goed kunnen we worden? Kunnen we de nauwkeurigheid van één molecuul bereiken? Want uiteindelijk, je wilt een oplossing bereiken die de fundamentele bouwstenen van het leven raakt."

Andere technieken zoals elektronenmicroscopie en beeldvorming met superresolutie bieden een hoge resolutie, maar de benodigde apparatuur is duur en niet algemeen toegankelijk. Expansiemicroscopie, echter, maakt beeldvorming met hoge resolutie mogelijk met een gewone lichtmicroscoop.

In een artikel uit 2017 Boyden's lab toonde een resolutie van ongeveer 20 nanometer, met behulp van een proces waarbij monsters twee keer werden uitgebreid vóór beeldvorming. Deze aanpak, evenals de eerdere versies van expansiemicroscopie, vertrouwt op een absorberend polymeer gemaakt van natriumpolyacrylaat, geassembleerd met behulp van een methode genaamd vrije radicalen synthese. Deze gels zwellen op bij blootstelling aan water; echter, een beperking van deze gels is dat ze niet volledig uniform zijn in structuur of dichtheid. Deze onregelmatigheid leidt tot kleine vervormingen in de vorm van het monster wanneer het wordt vergroot, beperking van de nauwkeurigheid die kan worden bereikt.

Om dit te overwinnen, de onderzoekers ontwikkelden een nieuwe gel genaamd tetra-gel, wat een meer voorspelbare structuur vormt. Door tetraëdrische PEG-moleculen te combineren met tetraëdrische natriumpolyacrylaten, de onderzoekers waren in staat om een ​​roosterachtige structuur te creëren die veel uniformer is dan de door vrije radicalen gesynthetiseerde natriumpolyacrylaathydrogels die ze eerder gebruikten.

De onderzoekers toonden de nauwkeurigheid van deze aanpak aan door het te gebruiken om deeltjes van herpes simplex-virus type 1 (HSV-1) uit te zetten, die een kenmerkende bolvorm hebben. Na het uitbreiden van de virusdeeltjes, de onderzoekers vergeleken de vormen met de vormen verkregen door elektronenmicroscopie en ontdekten dat de vervorming lager was dan bij eerdere versies van expansiemicroscopie, waardoor ze een nauwkeurigheid van ongeveer 10 nanometer kunnen bereiken.

"We kunnen kijken hoe de rangschikkingen van deze eiwitten veranderen als ze worden uitgebreid en evalueren hoe dicht ze bij de bolvorm zijn. Zo hebben we het gevalideerd en bepaald hoe getrouw we de nanostructuur van de vormen en de relatieve ruimtelijke rangschikkingen van deze moleculen, ' zegt Ruixuan Gao.

Enkele moleculen

De onderzoekers gebruikten hun nieuwe hydrogel ook om cellen uit te breiden, inclusief menselijke niercellen en muizenhersencellen. Ze werken nu aan manieren om de nauwkeurigheid te verbeteren tot het punt waarop ze individuele moleculen in dergelijke cellen kunnen afbeelden. Een beperking van deze mate van nauwkeurigheid is de grootte van de antilichamen die worden gebruikt om moleculen in de cel te labelen, die ongeveer 10 tot 20 nanometer lang zijn. Om individuele moleculen in beeld te brengen, de onderzoekers zouden waarschijnlijk kleinere labels moeten maken of de labels moeten toevoegen nadat de uitbreiding is voltooid.

Ze onderzoeken ook of andere soorten polymeren, of gemodificeerde versies van het tetragelpolymeer, zou kunnen helpen om een ​​grotere nauwkeurigheid te realiseren.

Als ze nauwkeurigheid kunnen bereiken tot op enkele moleculen, veel nieuwe grenzen kunnen worden verkend, zegt Boyden. Bijvoorbeeld, wetenschappers konden een glimp opvangen van hoe verschillende moleculen met elkaar omgaan, die licht kunnen werpen op celsignaleringsroutes, activering van de immuunrespons, synaptische communicatie, interacties tussen geneesmiddelen, en vele andere biologische verschijnselen.

"We zouden graag naar regio's van een cel kijken, als de synaps tussen twee neuronen, of andere moleculen die betrokken zijn bij cel-celsignalering, en om erachter te komen hoe alle delen met elkaar praten, ' zegt hij. 'Hoe werken ze samen en hoe gaan ze de mist in bij ziektes?'