Fortschrittliche Mikroskopietechnik bietet einen neuen Einblick in das Innere von Zellen

Stellen Sie sich vor, Sie schalten ein Fußballspiel ein, aber bis auf die beiden Quarterbacks sind alle Spieler unsichtbar. Ohne die orchestrierten Bewegungen aller Teams sehen zu können, wäre es sehr verwirrend, diesem Spiel zuzusehen.

Forscher stehen vor einem ähnlichen Dilemma, wenn sie Zellen unter dem Mikroskop abbilden. In einer einzelnen Zelle lebt ein komplexes Ökosystem aus Millionen von Molekülen, die miteinander interagieren. Die Betrachtung von Organellen, Proteinen und anderen winzigen subzellulären Komponenten erfordert hochauflösende Mikroskopie. Allerdings ermöglicht dieser Prozess den Forschern derzeit nur die gleichzeitige Visualisierung einer Handvoll unterschiedlicher Ziele.

Eine von Yale-Wissenschaftlern entwickelte neue Mikroskopietechnik bietet eine beispiellose Möglichkeit, das Innenleben einzelner Zellen zu betrachten. Die neue Technik namens FLASH-PAINT ermöglicht es Forschern, eine potenziell unbegrenzte Anzahl verschiedener Moleküle zu betrachten.

Im Mittelpunkt des Prozesses steht eine neuartige Anwendung bildgebender Sonden oder Reagenzien, bei denen es sich um Verbindungen handelt, die auf biologische Proben aufgetragen werden, um die Fähigkeit von Wissenschaftlern zu verbessern, winzige Details zu erkennen. Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse in Zelle.

„Wenn man nur ein oder zwei Proteine ​​betrachten kann, verpasst man das Gesamtbild“, sagt Jörg Bewersdorf, Ph.D., Harvey- und Kate-Cushing-Professor für Zellbiologie und Hauptforscher der Arbeit. „Wir können jetzt auf sehr elegante und schnelle Weise so viele Proteine ​​und andere Merkmale abbilden, wie wir wollen.“

Neue bildgebende Sonde bindet vorübergehend an eine unbegrenzte Anzahl von Molekülen

Eine aktuelle Methode zur Visualisierung innerer zellulärer Prozesse umfasst die Verwendung eines Antikörpers in Kombination mit bildgebenden Sonden, die aus einem einzelnen DNA-Strang und einem Fluoreszenzfarbstoff bestehen. Der Antikörper leitet die Sonde zu ihrem Ziel, wo der DNA-Strang an einen komplementären „Andock“-DNA-Strang am Antikörper bindet.

Eine Einschränkung dieser Technik besteht darin, dass jedes Ziel eine eigene Bildsonde benötigt. Wenn ein Team beispielsweise zehn verschiedene Ziele untersuchen möchte, müsste es zehn Sonden einsetzen. „Aber wenn unsere Vision darin bestünde, jedes Protein in einer Zelle abzubilden, gäbe es etwa 20.000 verschiedene Proteine“, sagt Florian Schüder, Ph.D., wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Zellbiologie und Erstautor der Arbeit. Die Abbildung dieser Zellen sei mit bestehenden Technologien nicht möglich gewesen, sagt er.

Um dieses Hindernis zu überwinden, hat das Yale-Team einen Adapter eingeführt, der zwischen der Bildgebungssonde und dem Ziel geschaltet wird. Dieser Adapter ist äußerst flexibel im Design und kann jede Art von Sonde mit jeder Art von Ziel verbinden. Der Schlüssel zum Erfolg der neuen Technik liegt darin, dass der Adapter nur sehr kurz an das Ziel bindet. „Es ist wirklich entscheidend, dass es problemlos von einem Ziel zum nächsten wechseln kann“, sagt Bewersdorf.

Schnelle und kostengünstige Mikroskopie ebnet den Weg für neue Entdeckungen

Die vorübergehende Bindung der neuen Sonde und die Fähigkeit, sich mit zahlreichen Zielen zu verbinden, macht FLASH-PAINT 100-mal schneller und dies zu einem Bruchteil der Kosten aktueller hochauflösender Mikroskopietechniken. „Das wird den wissenschaftlichen Entdeckungsprozess beschleunigen“, sagt Bewersdorf. „Anstatt hundert Experimente durchzuführen, die sich mit einzelnen Wechselwirkungen von einem oder zwei Proteinen befassen, können wir jetzt ein einziges Experiment durchführen, bei dem wir alle möglichen Wechselwirkungen sehen können.“

Das Team hofft, dass FLASH-PAINT es Forschern ermöglichen wird, zuvor unzugängliche komplexe subzelluläre Prozesse zu visualisieren, was wiederum Ärzten helfen kann, zu lernen, wie sie eine Reihe von Krankheiten, einschließlich Krebs, besser behandeln können. „An der Bekämpfung von Krankheiten sind viele Akteure beteiligt, und nur wenn man sie alle wirklich versteht, kann man sie vollständig verstehen“, sagt Bewersdorf.

In weiteren Forschungsarbeiten untersucht das Yale-Team die Anwendung von FLASH-PAINT in der Gewebebildgebung und sein Potenzial als Diagnosewerkzeug.