Mikroskopietechniken werden kombiniert, um ein leistungsfähigeres Bildgebungsgerät zu schaffen

Wenn Sie sich vorstellen, durch ein Mikroskop zu blicken, stellen Sie sich wahrscheinlich vor, wie Sie auf einen Objektträger mit einer Amöbe oder vielleicht auf eine menschliche Zelle oder vielleicht sogar auf ein kleines Insekt blicken.

Aber Mikroskope können viel mehr als diese kleinen Lebewesen sehen, und eine neue Art von Mikroskopie, die am Caltech entwickelt wurde, macht es einfacher, genau die Moleküle zu sehen, aus denen Lebewesen bestehen.

In einem Artikel, der in der Zeitschrift erscheint Naturphotonikdemonstrieren Forscher aus dem Labor von Lu Wei, Assistenzprofessor für Chemie und Forscher am Heritage Medical Research Institute, was sie als bindungsselektive fluoreszenzerregte Infrarot-angeregte Spektromikroskopie oder BonFIRE bezeichnen.

BonFIRE kombiniert zwei Mikroskopietechniken in einem Prozess mit höherer Selektivität und Empfindlichkeit und ermöglicht es Forschern, biologische Prozesse auf der beispiellosen Ebene einzelner Moleküle zu visualisieren und biologische Mechanismen aus molekularer Sicht zu verstehen.

„Mit unserem neuen Mikroskop können wir jetzt einzelne Moleküle mit Schwingungskontrast sichtbar machen, was mit bestehenden Technologien eine Herausforderung darstellt.“ sagt Dongkwan Lee, Co-Autor der Studie und Doktorand des Chemieingenieurwesens.

Eine bei BonFIRE zum Einsatz kommende Technik ist die Fluoreszenzmikroskopie, die Moleküle und andere mikroskopische Strukturen abbildet, indem sie sie mit fluoreszierenden chemischen Markern markiert, sodass sie bei der Abbildung leuchten.

Die andere Technik ist die Schwingungsmikroskopie, die sich natürliche Schwingungen in den Bindungen zunutze macht, die die Atome eines Moleküls zusammenhalten. Eine abzubildende Probe wird mit Licht, in diesem Fall Infrarotlicht, beschossen. Durch diesen Beschuss geraten die Bindungen der Moleküle des Materials so in Schwingung, dass ihre Art identifiziert werden kann. Schwingungen einer Dreifachbindung „klingen“ anders als die Schwingungen einer Einfachbindung, und die Schwingungen eines an ein anderes Kohlenstoffatom gebundenen Kohlenstoffatoms klingen anders als beispielsweise die Schwingungen eines an ein Stickstoffatom gebundenen Kohlenstoffatoms. Es ist nicht unähnlich, wie ein ausgebildeter Gitarrist allein anhand des Tons erkennen könnte, welche Saite auf einer Gitarre gezupft wurde und aus welchem ​​Material sie besteht.

Wei sagt, dass die Fluoreszenzmikroskopie Forschern die Beobachtung einzelner Moleküle ermöglicht, aber keine umfassenden chemischen Informationen liefert. Andererseits liefert die Vibrationsmikroskopie zwar umfangreiche chemische Informationen, funktioniert aber nur, wenn das abgebildete Molekül in großen Mengen vorhanden ist.

BonFIRE umgeht diese Einschränkungen, indem es Vibrationen mit Fluoreszenz koppelt und so die Stärken der beiden Techniken effektiv kombiniert. Der Prozess funktioniert folgendermaßen: Die Probe wird zunächst mit einem Fluoreszenzfarbstoff angefärbt, der sich an die abzubildenden Moleküle bindet. Die Probe wird dann mit einem Infrarotlichtimpuls beschossen, dessen Frequenz so abgestimmt ist, dass eine bestimmte Bindung in diesem Farbstoff angeregt wird. Sobald die Bindung durch nur ein einzelnes Photon dieses Lichts angeregt wird, scheint ein zweiter Lichtimpuls mit höherer Energie auf sie und regt sie zum Fluoreszieren mit einem Leuchten an, das mit dem Mikroskop erkannt werden kann. Auf diese Weise kann das Mikroskop ganze Zellen oder einzelne Moleküle abbilden.

„Wir sind fasziniert von diesem Spektroskopieverfahren und freuen uns, daraus ein neuartiges Werkzeug für die moderne Biobildgebung zu machen“, sagt Haomin Wang, Co-Autor der Studie und Postdoktorand in der Chemie. „In den letzten drei Jahren haben wir uns auf die Suche nach dem Bau unseres maßgeschneiderten BonFIRE-Mikroskops gemacht und ein tieferes Verständnis für diesen spektroskopischen Prozess erlangt. Dies hat uns dabei geholfen, jede Komponente in unserem Aufbau weiter zu optimieren, um die Leistung zu erreichen, die wir jetzt haben.“

In ihrer Arbeit demonstrieren die Forscher auch die Fähigkeit, Biomoleküle mit „Farben“ zu markieren und so sie voneinander zu unterscheiden. Dies geschieht durch die Verwendung mehrerer Isotope der Atome, aus denen das Farbstoffmolekül besteht. (Isotope sind Formen eines Elements mit unterschiedlichem Atomgewicht, weil ihre Kerne mehr oder weniger Neutronen haben). Die Frequenz, mit der ihre Bindungen schwingen, ändert sich mit der Zunahme oder Abnahme der Masse der Atome.

„Im Gegensatz zur herkömmlichen Fluoreszenzmikroskopie, die jeweils nur eine Handvoll Farben unterscheiden kann, nutzt BonFIRE Infrarotlicht, um verschiedene chemische Bindungen anzuregen und einen Regenbogen aus Schwingungsfarben zu erzeugen“, sagt Wei. „Sie können viele verschiedene Ziele aus derselben Probe gleichzeitig beschriften und abbilden und die molekulare Vielfalt des Lebens in atemberaubenden Details offenbaren. Wir hoffen, die Bildgebungsfähigkeit in naher Zukunft mit Dutzenden von Farben in lebenden Zellen demonstrieren zu können.“

Weitere Co-Autoren sind die Chemie-Doktoranden Yulu Cao, Xiaotian Bi, Jiajun Du und Kun Miao.