Новый инструмент может помочь молекулярным биологам понять сложные процессы в клетках
Исследователи Northwestern Engineering разработали новую платформу, которая может отображать отдельные молекулы в 3-D, позволяя глубже исследовать внутреннюю работу клеток.
Платформа использует спектроскопическую микроскопию локализации одной молекулы (sSMLM), инструмент, который может одновременно собирать пространственную информацию об отдельных молекулах и их спектроскопических сигнатурах.
Исследователи усовершенствовали инструмент, объединив существующий sSMLM с двухзеркальной системой, что позволяет ему отображать молекулы в трехмерном изображении на гораздо больших глубинах. Этот новый инструмент может помочь молекулярным биологам понять сложные процессы внутри клеток.
«Наш дизайн относительно прост в реализации и позволит нам изучать молекулярные взаимодействия гораздо лучше, чем раньше», — сказал Хао Чжан, профессор биомедицинской инженерии и соавтор исследования. «Теперь мы можем видеть не только то, где находятся молекулы, но и то, что они есть». Чжан разработал технологию совместно с профессором машиностроения Ченгом Саном.
Результаты были опубликованы 21 мая в журнале Optica . Соавторы включены Ки-Хи Сонг, доктор философии. кандидат, и Ян Чжан, доктор наук, оба из отдела биомедицинской инженерии Northwestern.
Отображение в 3D
В последние годы ученые и инженеры использовали sSMLM для лучшего понимания молекулярных взаимодействий и клеточной динамики. Система предоставляет информацию о местонахождении молекул и о том, как эти молекулы взаимодействуют со светом, что говорит ученым, какой тип молекулы они видят.
Но система работает только в двух измерениях, давая лишь частичное представление о молекулах и их взаимодействиях.
Чжан и Сунь хотели расширить изображение до 3-D и первоначально разработали способ сделать это, добавив дополнительную линзу, но обнаружили, что пара зеркал может достичь того же эффекта гораздо более элегантным способом.
Зеркала работают путем введения оптической разницы в длину пути в системе, которая улучшает способ, которым система использует фотоны. В отличие от линз, большинство зеркал не ослабляют отраженный свет, что означает, что больше нанотонов можно использовать для наноскопической локализации, чтобы создать более четкое изображение и расширить изображение в 3-мерном диапазоне глубины.
Благодаря возможности трехмерной наноразмерной визуализации, исследователи могут видеть больше взаимодействий, происходящих во внутриклеточном объеме, без тени от поверхности. Например, Чжан, Сан и их сотрудники используют систему для изучения межклеточного распределения молекул, наблюдая за тем, как РНК транспортируется и взаимодействует с клеточными органеллами, прежде чем транслироваться в белки.
«Эта система может иметь глубокие последствия в молекулярной биологии», — сказал Чжан.
Хотя в предыдущих системах молекулярной визуализации использовались оптические фильтры для обнаружения различных типов молекул на основе их хорошо разделенных цветов излучения, новая система может обнаруживать незначительные различия в молекулярных излучениях каждой отдельной молекулы и анализировать спектр для их дифференциации.
«Теперь мы можем раскрашивать каждую молекулу в цвет», — сказал Сун. «Это ключевая сила».
Понимание наноразмерных процессов
Далее исследователи надеются продолжить совершенствовать технологию, а также использовать ее в исследованиях молекулярной биологии.
Они работают с сотрудниками, чтобы изучить структуру пор ядра и его участие в дифференцировке стволовых клеток, а также изучают деполяризацию мембраны митохондрий, событие, связанное со многими заболеваниями, включая потерю зрения у пациентов с диабетом. Они также надеются, что их технология помогает другим в этой области.
«Это очень элегантный дизайн, — сказал Сун. «Система может быть очень легко внедрена в других лабораториях, и она имеет прекрасную производительность».
