Mikroskopia ekspansywna o większej dokładności

Mikroskopia ekspansywna o większej dokładności

Korzystając ze zwykłego mikroskopu świetlnego, inżynierowie MIT opracowali technikę obrazowania próbek biologicznych z dokładnością do 10 nanometrów. Powinno umożliwić im to obrazowanie wirusów, a potencjalnie nawet pojedynczych biomolekuł. Gdyby udało się zobaczyć poszczególne cząsteczki i określić ich rodzaj z dokładnością do kilku nanometrów, to być może bylibyśmy w stanie przyjrzeć się strukturze życia.

Nowa technika opiera się na mikroskopii ekspansyjnej, podejściu polegającym na osadzaniu próbek biologicznych w hydrożelu, a następnie rozszerzaniu ich, przed zobrazowaniem za pomocą mikroskopu. W najnowszej wersji tej techniki naukowcy opracowali nowy typ hydrożelu, który zachowuje bardziej jednorodną konfigurację, umożliwiając większą dokładność. Ten stopień dokładności może otworzyć drzwi do badania podstawowych interakcji molekularnych, czyniących życie możliwym.

Wiele laboratoriów na całym świecie zaczęło używać mikroskopii ekspansyjnej, odkąd laboratorium Boydena - autora badań, po raz pierwszy wprowadziło ją w 2015 r. Dzięki tej technice naukowcy fizycznie powiększają swoje próbki około czterokrotnie. Umożliwia im to generowanie obrazów o wysokiej rozdzielczości bez kosztownego sprzętu. Laboratorium Boydena opracowało również metody znakowania białek, RNA i innych cząsteczek w próbce, aby można je było zobrazować po ekspansji.

Inne techniki, takie jak mikroskopia elektronowa i obrazowanie w super rozdzielczości, oferują wysoką rozdzielczość, ale wymagany sprzęt jest drogi i trudno dostępny.

W artykule z 2017 roku laboratorium Boydena wykazało rozdzielczość około 20 nanometrów, stosując proces, w którym próbki były dwukrotnie rozszerzane przed obrazowaniem. Podejście to, opiera się na chłonnym polimerze wykonanym z poliakrylanu sodu, złożonym metodą zwaną syntezą wolnorodnikową. Żele te pęcznieją pod wpływem wody; jednak jednym z ich ograniczeń jest brak całkowitej jednorodności pod względem struktury lub gęstości. Prowadzi to do niewielkich zniekształceń kształtu próbki po jej rozszerzeniu, co ogranicza możliwą do osiągnięcia dokładność.

Aby temu zaradzić, naukowcy opracowali nowy żel o nazwie tetra-żel, który tworzy bardziej przewidywalną strukturę. Łącząc tetraedryczne cząsteczki PEG z tetraedrycznymi poliakrylanami sodu, naukowcy byli w stanie stworzyć strukturę przypominającą siatkę, która jest znacznie bardziej jednorodna niż używane wcześniej hydrożele poliakrylanu sodu syntetyzowane wolnorodnikowo.

Naukowcy wykazali skuteczność nowej metody, wykorzystując ją do rozszerzania cząstek wirusa opryszczki pospolitej typu 1 (HSV-1), o charakterystycznym kulistym kształcie. Po ekspansji cząstek wirusa naukowcy porównali je z obrazami uzyskanymi za pomocą mikroskopii elektronowej i stwierdzili, że zniekształcenie było mniejsze niż w przypadku poprzednich metod zwiększając dokładność do 10 nanometrów.
Naukowcy wykorzystali również swój nowy hydrożel do ekspansji komórek, w tym ludzkich komórek nerkowych i mysich komórek mózgowych. Badają również, czy inne typy polimerów lub zmodyfikowane wersje polimeru tetra-żelowego mogłyby pomóc w osiągnięciu większej dokładności.

Dalsze poprawa precyzji metody do pojedynczych cząsteczek, mogłaby pozwolić na szersze badania wielu obszarów. Na przykład naukowcy mogliby zobaczyć, jak różne cząsteczki oddziałują ze sobą, świadcząc o szlakach sygnalizacji komórkowej, aktywację odpowiedzi immunologicznej, komunikację synaptyczną i wiele innych zjawisk biologicznych.

(SW)