Ein Forschungsteam der Carnegie Mellon University und Columbia hat zwei neue Bildgebungstechnologien kombiniert, um eine breite Palette von Biomolekülen, einschließlich Proteinen, Lipiden und DNA, im Nanomaßstab besser sichtbar zu machen. Ihre Technik, die Expansionsmikroskopie und Mikroskopie mit stimulierter Raman-Streuung vereint, wird in ausführlich beschrieben Fortgeschrittene Wissenschaft.
Biomoleküle werden traditionell mit Fluoreszenzmikroskopie abgebildet, aber diese Technik hat ihre Grenzen. Die Fluoreszenzmikroskopie beruht auf Fluorophor-tragenden Markierungen, um an interessierende Moleküle zu binden und diese zu markieren. Diese Tags emittieren fluoreszierendes Licht mit einem breiten Wellenlängenbereich; Daher können Forscher nur 3-4 fluoreszierende Farben im sichtbaren Spektrum gleichzeitig verwenden, um Moleküle von Interesse zu markieren.
Im Gegensatz zur Fluoreszenzmikroskopie visualisiert die stimulierte Raman-Streuungsmikroskopie (SRS) die chemischen Bindungen von Biomolekülen, indem sie ihre Schwingungs-Fingerabdrücke erfasst. In diesem Sinne benötigt SRS keine Markierungen, um die verschiedenen Arten von Biomolekülen oder sogar verschiedene Isotope in einer Probe zu erkennen. Darüber hinaus kann ein Regenbogen von Farbstoffen mit einzigartigen Schwingungsspektren verwendet werden, um mehrere Ziele abzubilden. SRS hat jedoch eine Beugungsgrenze von etwa 300 Nanometern, wodurch es nicht in der Lage ist, viele der entscheidenden nanoskaligen Strukturen, die in Zellen und Geweben zu finden sind, sichtbar zu machen.
„Jeder Molekültyp hat seinen eigenen Schwingungs-Fingerabdruck. SRS ermöglicht es uns, den gewünschten Molekültyp zu sehen, indem wir uns auf die charakteristische Frequenz seiner Schwingungen einstellen. So etwas wie das Umschalten zwischen den Radiosendern“, sagte Carnegie Mellon Eberly Family Associate Professor of Biologische Wissenschaften Yongxin (Leon) Zhao.
Zhaos Labor hat neue Bildgebungswerkzeuge entwickelt, die auf der Expansionsmikroskopie basieren – einer Technik, die das Problem der Beugungsgrenzen in einem breiten Bereich der biologischen Bildgebung angeht. Die Expansionsmikroskopie nimmt biologische Proben und wandelt sie in wasserlösliche Hydrogele um. Die Hydrogele können dann behandelt und auf mehr als das 100-fache ihres ursprünglichen Volumens expandiert werden. Die ausgedehnten Proben können dann unter Verwendung von Standardtechniken abgebildet werden.
„So wie die SRS die Grenzen der Fluoreszenzmikroskopie überwinden konnte, überwindet die Expansionsmikroskopie die Grenzen der SRS“, sagte Zhao.
Die Forscher von Carnegie Mellon und Columbia kombinierten SRS und Expansionsmikroskopie, um Molecule Anchorable Gel-enabled Nanoscale Imaging of Fluorescence and Stimulated Raman Scattering Microscopy (MAGNIFIERS) zu entwickeln. Zhaos Expansionsmikroskopietechnik war in der Lage, Proben bis auf das 7,2-fache zu expandieren, was es ihnen ermöglichte, SRS zu verwenden, um kleinere Moleküle und Strukturen abzubilden, als sie ohne Expansion in der Lage wären.
In der kürzlich veröffentlichten Studie zeigte das Forschungsteam, dass MAGNIFIERS für die hochauflösende metabolische Bildgebung von Proteinaggregaten verwendet werden könnten, wie sie beispielsweise bei Erkrankungen wie der Huntington-Krankheit entstehen. Sie zeigten auch, dass MAGNIFIERS die nanoskalige Position von acht verschiedenen Markern im Gehirngewebe gleichzeitig kartieren konnte.
Die Forscher planen, die MAGNIFIERS-Technik weiterzuentwickeln, um eine Bildgebung mit höherer Auflösung und höherem Durchsatz zum Verständnis der Pathologie komplexer Krankheiten wie Krebs und Hirnerkrankungen zu erreichen.
Weitere Co-Autoren der Studie sind: Alexsandra Klimas, Brendan Gallagher, Zhangu Cheng, Feifei Fu, Piyumi Wijesekara und Xi Ren von Carnegie Mellon; und Yupeng Miao, Lixue Shi und Wei Min aus Kolumbien.
Lixue Shi et al, Super‐Resolution Vibrational Imaging Using Expansion Stimulated Raman Scattering Microscopy, Fortgeschrittene Wissenschaft (2022). DOI: 10.1002/adv.202200315