211service.com
Tittar på levande celler med upplösning i nanoskala
Ett superhögupplöst 3D-ljusmikroskop som utvecklats vid Max Planck Institute for Biophysical Chemistry kommer att tillåta biologer att se hur de minsta organellerna och till och med enskilda kluster av proteiner fungerar i levande celler. Den nya tekniken, som har en upplösning på 40 nanometer, övervinner några stora begränsningar i befintliga mikroskopitekniker och kan ha viktiga tillämpningar för att dissekera exakt hur läkemedel påverkar celler.
Cellulärt kraftpaket: Dessa bilder av en cellulär organell som kallas mitokondrien togs med det högsta upplösta 3D-ljusmikroskopet som hittills utvecklats. Forskare vid Max Planck-institutet i Tyskland har använt mikroskopet för att avbilda individuella, fluorescensmärkta proteinkluster i mitokondrierna hos levande celler (nedan) och för att kombinera dem för att bilda 3-D-bilder (ovan).
[Det är] en tour de force – en stor bedrift, säger John Sadat , professor i biokemi och biofysik vid University of California, San Francisco. Genom att använda Max Planck-mikroskopet och andra som driver upplösning på nanoskala, kommer biologer att kunna se hur levande celler fungerar på en aldrig tidigare skådad detaljnivå. Det kommer att bli en revolution för biologin, säger Sedat, som inte var involverad i forskningen.
Under de senaste decennierna har biologer gjort stora framsteg när det gäller att förstå cellers molekylära sammansättning, men hur dessa delar lägger sig till fungerande celler och vävnader är fortfarande något av ett mysterium. Med hjälp av ljusmikroskop kan biologer titta på levande celler med relativt låg upplösning; med hjälp av elektronmikroskopi kan de försiktigt dissekera döda celler.
Det nya mikroskopet låter dig optiskt dissekera levande celler, säger Stefan helvete , chef för avdelningen för nanobiofotonik vid Planck-institutet i Göttingen, Tyskland, som ledde instrumentets utveckling.
Forskare använde det nya mikroskopet för att göra de första superhögupplösta ljusbilderna av små cellorganeller som kallas mitokondrier, som är avgörande för cellernas ämnesomsättning och spelar en roll i åldringsprocessen. En potentiell tillämpning är att visualisera hur vissa cancerläkemedel påverkar mitokondrierna, vars inre funktioner har varit osynliga för 3D-ljusmikroskopi. Det har varit svårt eftersom du inte kunde ser molekyler som binder till varandra, vilket gör det omöjligt att definitivt nämna orsaken till dessa läkemedels effekter, säger Maryann Fitzmaurice , en patolog vid Case Western Reserve University, i Cleveland.
Tredimensionella ljusmikroskop fungerar genom att skanna en fokuserad ljuspunkt genom celler i tre plan. Storleken på denna fläck begränsar mikroskopets upplösning - inget mindre än fläckens storlek kan ses. På grund av en grundläggande egenskap hos ljus som kallas diffraktionsgränsen är det omöjligt att fokusera ljus till en storlek som är mindre än halva dess våglängd med konventionella linser. Många delar av cellen är mindre än halva våglängden av ljuset som används för dessa tekniker. Andra forskare har kommit runt diffraktionsgränsen i två dimensioner, eller med tekniker som bara fungerar med en viss våglängd av ljus.
Max Planck-gruppen utvecklade ett sätt att komma runt ljusets grundläggande begränsningar genom att använda två strålar istället för en. Den första ljusstrålen spelar samma roll - och har samma fläckstorlek - som ljus i ett konventionellt mikroskop. Den rör sig genom cellen som studeras och spännande fluorescensmärkta molekyler inuti cellen för att fluorescera. Den andra strålen skulpterar den första, säger Hell, och hämmar fluorescens skapad av kanterna på den första strålen. Det minskar den effektiva fläckstorleken till 40 till 45 nanometer i diameter.
Fitzmaurice säger att molekylär upplösningsmikroskopi kommer att förbättra patientvården längre fram. Fokus har varit på molekylära defekter i sjukdomar, men för att verkligen förstå dem måste du se dem i cellen, säger hon. Hon tror att upplösningsmikroskopi i nanoskala också kommer att spela en viktig roll för att utveckla personlig medicin. Till exempel har forskare identifierat specifika biomarkörer som hjälper till att förutsäga en cancerpatients prognos, men inte alla patienter med en viss biomarkör svarar på samma sätt på samma behandlingar. Med hjälp av Hells nya mikroskop och andra kommande kan biologer göra den grundläggande forskning som behövs för att förstå hur proteiner och andra molekyler interagerar och i slutändan för att identifiera mer exakta prediktorer för sjukdomar.
Och i framtiden kan mikroskop med upplösning i nanoskala användas i sjukhuslabb för att utföra verkligt personlig medicin. Sedat säger att nästa nivå för upplösningsmikroskopi i nanoskala är att utveckla den för att avbilda inte bara enstaka celler utan även vävnader som kirurgiska biopsier. Jag tror att vi är på branten av några viktiga nya riktningar för ljusmikroskopi, säger han.