Goed nieuws: met goedkope microscopen kunnen ook beelden met een superresolutie worden verkregen
Het team van nanologen Ali Shaib en Silvio Rizzoli van het Universitair Medisch Centrum in Göttingen, Duitsland, heeft een methode ontwikkeld voor gewone lichtmicroscopie – de ONE Microscope-techniek – waarmee beelden van individuele eiwitten en nog nooit eerder geziene celstructuren op een niveau worden vastgelegd. aan details die zelfs groter zijn dan die van een "superresolutie"-microscoop van meerdere miljoenen dollars. "superresolutie"-microscopen ter waarde van meerdere miljoenen dollars. De bevindingen zijn gepubliceerd op de preprint-website bioRxiv.
"Er zou een vorm van democratie moeten zijn in de microscopietechnologie." Rizzoli wijst erop dat de hoge resolutie van de nieuwe technologie toepasbaar is op de vele, en niet de weinige, welvarende laboratoria.
De mogelijkheden van conventionele optische microscopen worden beperkt door de wetten van de optica, wat betekent dat waarnemingen van objecten kleiner dan 200 nm wazig zijn, zei Rizzoli, eraan toevoegend dat onderzoekers superresolutiemethoden hebben ontwikkeld die verder gaan dan de natuurkunde en die deze limiet kunnen terugbrengen tot ongeveer 10 nm. nm. Deze methode, die in 2014 de Nobelprijs voor de scheikunde won, maakt gebruik van optische trucs om fluorescerende moleculen die aan eiwitten zijn bevestigd, te lokaliseren.
In 2015 stelden onderzoekers een andere manier voor om de optische limiet te omzeilen. Een team van onderzoekers onder leiding van Edward Boyden, een neuraal ingenieur aan het Massachusetts Institute of Technology in de VS, toonde aan dat opblaasbare weefsels (die gebruik maken van een absorberende verbinding die in luiers wordt aangetroffen) cellulaire objecten uit elkaar kunnen houden. De techniek, bekend als inflatiemicroscopie, heeft geleid tot een enorme sprong voorwaarts in de microscoopresolutie, waardoor structuren van ongeveer 20 nm kunnen worden opgelost.
De techniek van Shaib en Rizzoli combineert de twee methoden om een resolutie van sub{0}}nm te bereiken. Deze helderheid is voldoende om de vorm van individuele eiwitten te onthullen, die voorheen doorgaans gedetailleerder in beeld werden gebracht met behulp van duurdere structurele biologische methoden, zoals cryo-elektronenmicroscopie.
De eenvoud van expansiemicroscopie maakt deel uit van de aantrekkingskracht ervan, en Boyden schat dat meer dan 1,000 laboratoria de techniek hebben toegepast. Monsters worden behandeld met chemicaliën die de eiwitten op een polymeer immobiliseren, dat opzwelt tot 1,000 maal zijn oorspronkelijke grootte wanneer water wordt toegevoegd, waardoor de moleculen kunnen worden gescheiden. EEN microscopietechniek maakt ook gebruik van warmte of enzymen om af te breken de eiwitten, zodat individuele fragmenten tijdens het zwelproces in verschillende richtingen worden uitgerekt.
De onderzoekers hebben hun methode gebruikt om foto's te maken van een neuromolecuul, de GABAA-receptor, die sterk lijkt op cryo-elektronenmicroscopie met hoge resolutie en röntgenkristallografische kaarten van eiwitten. Ze hebben ook de omtrek vastgelegd van een groot deel van een eiwit genaamd ototoxine, waarvan de structuur nog niet is vastgesteld, dat helpt bij het verzenden van audiosignalen in de hersenen. De vorm is vergelijkbaar met structurele voorspellingen van het AlphaFold deep learning-netwerk.
Hoewel de methode niet de resolutie van cryo-elektronenmicroscopie kan evenaren, die in sommige gevallen details op bijna atomair niveau kleiner dan 0.2 nm kan onthullen, zijn cryo-elektronenmicroscopietechnieken zowel nietig als duur, zegt Rizzoli zei, eraan toevoegend dat EEN microscopie daarentegen een snelle en gemakkelijke manier kan bieden om de structuur van vrijwel elk molecuul te begrijpen.
Een deel van de motivatie voor het ontwikkelen van de technologie was het vergroten van de toegankelijkheid van geavanceerde optische microscopen, zei Rizzoli. de ONE-microscoopmethode is eenvoudig genoeg om toepasbaar te zijn op fluorescentiemicroscopen, die in de jaren negentig verouderd raakten.
Salma Tammam, een farmaceutisch technoloog aan de Duitse universiteit in Caïro, is van plan deze zomer een promovendus te sturen om de techniek te bestuderen. Haar laboratorium onderzoekt hoe nanodeeltjes door cellen bewegen en ze willen details zien van de deeltjes en hun dragers. Maar zoals veel onderzoekers in lage- en middeninkomenslanden hebben zij geen toegang tot dure superresolutiemicroscopen.
Het uitbreiden van het gebruik van superresolutiemicroscopie is ook belangrijk voor wetenschappers van goed gefinancierde instellingen, zegt Noa Lipstein, synapsbioloog bij het Leibniz Centrum voor Moleculaire Farmacologie in Duitsland. Ze heeft onlangs een onafhankelijke onderzoeksgroep opgericht en ervoor gekozen om ONE-microscopie toe te passen op hun onderzoek naar synaptische details.
