Naukowcy połączyli dwie techniki obrazowania w jednym mikroskopie, aby uzyskać szczegółowe obrazy komórek o wysokiej rozdzielczości.
Naukowcy połączyli w jednym mikroskopie dwie techniki obrazowania mikroskopowego, zapewniając sobie metodę śledzenia pojedynczych cząsteczek w kontekście komórkowym o wysokiej rozdzielczości. Rozwój ten otwiera drzwi do poprawy naszej zdolności do wizualizacji, w najdrobniejszych szczegółach, tego, co dzieje się wewnątrz komórek.
Obecnie naukowcy mają możliwość zaglądania do wnętrza komórek przy użyciu niezwykle potężnych mikroskopów. Ważne jest, aby byli w stanie to zrobić, aby zrozumieć, jak działają i reagują określone biomolekuły. Narzędzia te mają jednak pewne wady.
Weźmy na przykład mikroskopię fluorescencyjną o super rozdzielczości (SRM). Świetnie nadaje się do śledzenia pojedynczych cząsteczek, takich jak białka, w komórce, ale nie pokazuje naukowcom, co dzieje się w pobliżu. I chociaż kriogeniczna tomografia elektronowa (krio-ET) pozwala uzyskać obrazy komórek o wysokiej rozdzielczości, nie jest w stanie określić, co robią poszczególne cząsteczki.
Dlatego badacze z Narodowego Laboratorium Akceleratorów Liniowych Stanford przy Departamencie Energii Stanów Zjednoczonych (SLAC) postanowili połączyć te dwie techniki obrazowania w jednym mikroskopie.
Celem jest zachowanie tego, co najlepsze z obu technologii. Zachowujesz molekularną specyfikę mikroskopii fluorescencyjnej, więc wiesz, kto jest kim, a następnie możesz umieścić to w kontekście struktur o wysokiej rozdzielczości z krio-ET.
– powiedział Peter Dahlberg, główny autor badania
Mikroskopia fluorescencyjna polega na znakowaniu pojedynczej cząsteczki mniejszą cząsteczką, która świeci pod wpływem światła. Cząsteczkę można następnie śledzić pod zwykłym – choć o bardzo wysokiej rozdzielczości – mikroskopem optycznym. Cryo-ET wykorzystuje mikroskopy elektronowe do badania próbek zamrożonych błyskawicznie, takich jak komórki.
Połączenie tych dwóch technik natychmiast spowodowało problemy, które badacze musieli pokonać. Po pierwsze, komórki zawierające cząsteczki znakowane fluorescencyjnie musiały zostać upuszczone na siatkę krio-ET o średnicy zaledwie 3 mm, a następnie szybko zamrożone, tak aby woda na siatce zamieniła się w szkło (zeszkliła się). Raz zamrożona komórka musi pozostać zamrożona. Drugim problemem jest rozmiar zamrożonych komórek – mają one grubość tysięcy nanometrów – ale elektrony stosowane w krio-CT nie mogą wnikać głębiej niż 200 nanometrów.
Dlatego naukowcy opracowali urządzenie zwane systemem mielenia skupionej wiązki jonów z dołączonym skaningowym mikroskopem elektronowym, czyli FIB-SEM (z ang. focused ion beam milling system with an attached scanning electron microscope). Skoncentrowana wiązka jonów odcina materiał komórkowy, pozostawiając bardzo cienki kawałek zamrożonej komórki, który może przeniknąć Cryo-ET. Następnie skaningowy mikroskop elektronowy strzela elektronami w próbkę, tworząc obrazy o wysokiej rozdzielczości.
Prototyp FIB-SEM miał tylko jeden problem: nie miał dołączonego mikroskopu optycznego, co oznaczało, że aby wykonać mikroskopię fluorescencyjną, trzeba było przesunąć siatkę krio-ET. Na szczęście istniało proste rozwiązanie.
„Zasadniczo właśnie rozebraliśmy ten wyrafinowany instrument wart 1,5 miliona dolarów, aby zainstalować zintegrowany mikroskop świetlny i teraz mamy znacznie, znacznie lepszy system” – powiedział Dahlberg.
Testując FIB-SEM w 2020 roku i śledząc białka w komórkach bakteryjnych, naukowcy odkryli, że działa, ale zdali sobie sprawę, że materiał, z którego wykonano siatkę Cryo-ET, pochłania światło i niszczy zamrożone próbki. Wprowadzili więc kilka poprawek, zaprojektowali lepsze siatki i stworzyli lepszy stolik dla mikroskopu świetlnego.
Obecnie naukowcy opracowują różne rodzaje etykiet fluorescencyjnych – bioczujników – do pracy w warunkach kriogenicznych. Biosensory to cząsteczki fluorescencyjne, które zmieniają swoje właściwości emisji lub wzbudzenia w zależności od lokalnego środowiska, świecąc jednym kolorem w jednym środowisku i innym kolorem w innym.
„Można je dostroić tak, aby były wrażliwe na pH i wapń – co tylko chcesz” – powiedział Dahlberg. „Istnieją setki zmiennych środowiskowych, do których można je dostroić. Zatem oprócz konkretnej lokalizacji i informacji strukturalnych w wysokiej rozdzielczości możesz także dowiedzieć się, czy moja komórka jest zdrowa, czy chora?”.
Naukowcy będą nadal majstrować przy FIB-SEM, dopóki nie zostanie on zoptymalizowany i nie osiągnie pełnego potencjału.
➔ Obserwuj nas w Google News, aby być na bieżąco!
źródło: Krajowe Laboratorium Akceleratorów SLAC | New Atlas
Od 2005 roku zajmuję się komunikacją internetową i e-marketingiem, jestem pasjonatem urządzeń mobilnych oraz nowych technologii – i nie waham się ich używać.