Gleichzeitiges Zoomen durch Zeit und Raum mit Superauflösung, um zu verstehen, wie sich Zellen teilen

Zellteilungoder der Prozess, wie Tochterzellen aus einer Mutterzelle hervorgehen, ist von grundlegender Bedeutung für die Biologie. Jede Zelle erbt die gleichen Protein- und DNA-Bausteine, aus denen die Zelle besteht, aus der sie ursprünglich stammt. Doch wie genau sich diese molekularen Bausteine ​​zu neuen Zellen anordnen, ist bislang ein Rätsel.

Die Untersuchung der Zellteilung erfordert die gleichzeitige Betrachtung von Makromolekülen im Nanometerbereich wie Proteinen und DNA bis hin zu Zellpopulationen im Millimeterbereich und über einen Zeitraum von Sekunden bis Wochen. Frühere Mikroskope konnten winzige Objekte nur in kurzen Zeiträumen erfassen, typischerweise nur einige zehn Sekunden. Es gab keine Methode, mit der sich ein breites Spektrum an Größen- und Zeitskalen gleichzeitig untersuchen ließe.

Mein Team und ich an der University of Michigan Bioplasmonik-Gruppe entwickelte ein neue Art der hochauflösenden Bildgebung Das enthüllt bisher unbekannte Merkmale der Zellteilung.

Fortschrittliche hochauflösende Bildgebung

Bis vor kurzem war es mit dem nicht möglich, Zellen auf molekularer Ebene zu betrachten Nobelpreisträger 2014 Entwicklung der Superauflösung.

Traditionelle Lichtmikroskope Sehr kleine Objekte verwischen die in einer Probe nahe beieinander liegen, weil sich das Licht auf seinem Weg durch den Raum ausbreitet. Mit Superauflösung könnten an der Probe befestigte Fluoreszenzsonden wie funkelnde Sterne in einer klaren Nacht ein- und ausgeschaltet werden. Durch das Sammeln und Kombinieren vieler Bilder dieser Sonden kann ein hochauflösendes Bild sehr kleine Objekte sichtbar machen. Superresolution eröffnete eine völlig neue Welt in der Biologie und enthüllte Strukturen mit einer Größe von nur 10 Nanometern, was etwa der Größe eines Proteinmoleküls entspricht.

Allerdings können die Fluoreszenzsonden, auf die diese Technik angewiesen ist, schnell verschleißen. Dies schränkt seinen Einsatz bei der Untersuchung von Prozessen ein, die über längere Zeiträume ablaufen, wie etwa der Zellteilung.

Mein Forschungsteam und ich haben eine Lösung entwickelt, die wir nennen PINE-Nanoskopie. Anstatt wie herkömmliche Fluoreszenzsonden Licht zu absorbieren, streuen die von uns verwendeten Sonden das Licht, sodass sie bei wiederholter Lichteinwirkung nicht zerfallen.

Um sehr kleine, nahe beieinander liegende Objekte aufzulösen, haben wir Filter aus dünnen Schichten aus Polymeren und Flüssigkristallen gebaut, die die Erkennung von Streulicht ermöglichen, was das Ein- und Ausschalten der Sonden auslöst. Dies ermöglichte es uns, Details von Zellen im Nanometerbereich zu erkennen, die sonst mit herkömmlichen Mikroskopen unscharf wären.

Bemerkenswerterweise stellten wir fest, dass diese Details im Nanometerbereich sehr lange betrachtet werden konnten – über 250 Stunden. Bei herkömmlichen Superauflösungsmethoden würden diese Details im Laufe der Zeit normalerweise verloren gehen.

Ein neues Licht auf die Zellteilung

Anschließend haben wir unsere Methode angewendet, um zu untersuchen, wie sich molekulare Bausteine ​​bei der Zellteilung organisieren.

Wir haben uns auf a konzentriert Protein namens Aktin Dies trägt neben vielen anderen Funktionen zur Aufrechterhaltung der Zellstruktur bei. Aktin hat die Form verzweigter Filamente mit einem Durchmesser von jeweils etwa 7 Nanometern (Millionstel Millimeter), die miteinander verbunden sind und sich über Tausende von Nanometern erstrecken. Mithilfe der PINE-Nanoskopie befestigten wir Streusonden an Aktin, um die Teilung menschlicher Zellen visuell zu verfolgen.

Wir haben drei Beobachtungen dazu gemacht, wie sich Aktinbausteine ​​während der Zellteilung organisieren. Erstens dehnen sich diese molekularen Bausteine ​​aus, um ihre Verbindungen zu ihren Nachbarn zu verstärken. Zweitens rücken sie auch näher an ihre Nachbarn heran, um deren Kontaktpunkte zu vergrößern. Und drittens neigen die resultierenden Netzwerke dazu, sich zusammenzuziehen, wenn die Aktinmoleküle stärker miteinander verbunden sind, und auszudehnen, wenn sie weniger miteinander verbunden sind.

Basierend auf diesen Erkenntnissen konnten wir neue Informationen entdecken über den Prozess der Zellteilung. Wir fanden heraus, dass Wechselwirkungen zwischen Aktinbausteinen mit der Kontraktion und Expansion der gesamten Zelle während der Teilung einhergehen. Mit anderen Worten: Das Verhalten der Aktinmoleküle hängt mit dem Verhalten der Zelle zusammen: Die Zelle zieht sich zusammen, wenn sich das Aktin ausdehnt, und sie dehnt sich aus, wenn sich das Aktin zusammenzieht.

Krankheiten mit Superauflösung aufdecken

Mit unserer Methode wollen wir untersuchen, wie sich andere molekulare Bausteine ​​in Geweben und Organen organisieren. Wie Zellen, Gewebe und Organe in einer Hierarchie organisiert das kann von klein bis groß untersucht werden. Die Untersuchung des dynamischen und komplexen Prozesses, wie Proteinbausteine ​​miteinander interagieren, um größere Strukturen zu bilden, könnte die künftige Schaffung neuer Ersatzgewebe und -organe wie Hauttransplantate vorantreiben.

Wir planen auch, mit unserer bildgebenden Technik zu untersuchen, wie Proteinbausteine ​​bei Krankheiten desorganisiert werden. Proteine ​​organisieren sich zu Zellen, Zellen zu Geweben und Gewebe zu Organen. Eine sehr kleine Änderung der Bausteine ​​kann stören diese Organisation, mit Auswirkungen, die zu Krankheiten wie Krebs führen können. Unsere Technik könnte Forschern möglicherweise dabei helfen, zu visualisieren und damit besser zu verstehen, wie sich molekulare Defekte in Geweben und Organen zu Krankheiten entwickeln können.

Dieser Artikel wurde erneut veröffentlicht von Die Unterhaltung unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das originaler Artikel.