Mit verbesserter Bildgebung neues Licht auf Zellmembranen werfen

Forschungen aus dem Labor von Matthew Lew an der Washington University in St. Louis bieten völlig neue Möglichkeiten, das Allerkleinste zu sehen.

Die Forschung – zwei Arbeiten von Ph.D. Studenten der McKelvey School of Engineering – wurde in den Fachzeitschriften veröffentlicht Optik und Nano-Buchstaben.

Sie haben neuartige Hardware und Algorithmen entwickelt, die es ihnen ermöglichen, die Bausteine ​​der biologischen Welt jenseits von drei Dimensionen auf eine Weise zu visualisieren, die bisher nicht machbar war. Schließlich sind Zellen 3D-Objekte und voller „Zeug“ – Moleküle – die sich bewegen, drehen, drehen und taumeln, um das Leben selbst anzutreiben.

Wie herkömmliche Mikroskope ist die Arbeit von zwei Ph.D. Die Studenten im Lew-Labor, Tingting Wu und Oumeng Zhang, verwenden Licht, um in die mikroskopische Welt zu blicken – aber ihre Innovationen sind alles andere als traditionell. Wenn Menschen derzeit Licht in der Bildgebung verwenden, sind sie wahrscheinlich daran interessiert, wie hell dieses Licht ist oder welche Farbe es hat. Aber Licht hat andere Eigenschaften, einschließlich Polarisation.

„Oumengs Arbeit verdreht die Polarisation des Lichts“, sagte Lew, Assistenzprofessor am Preston M. Green Department of Electrical & Systems Engineering. „Auf diese Weise können Sie gleichzeitig sehen, wie sich die Dinge verschieben (in geraden Linien bewegen) und drehen“ – etwas, das mit herkömmlicher Bildgebung nicht möglich ist.

„Die Entwicklung neuer Technologien und die Fähigkeit, Dinge zu sehen, die wir vorher nicht sehen konnten, ist aufregend“, sagte Zhang. Diese einzigartige Fähigkeit, sowohl Rotation als auch Position gleichzeitig zu verfolgen, gibt ihm einzigartige Einblicke in die Interaktion biologischer Materialien – beispielsweise menschlicher Zellen und Krankheitserreger.

Wus Forschung bietet auch eine neue Möglichkeit, Zellmembranen abzubilden und gewissermaßen in ihr Inneres zu sehen. Mithilfe fluoreszierender Tracer-Moleküle kartiert sie, wie die Tracer mit Fett- und Cholesterinmolekülen in der Membran interagieren und bestimmt, wie die Lipide angeordnet und organisiert sind.

„Jede Zellmembran, jeder Zellkern, alles in der Zelle ist eine 3D-Struktur“, sagte sie. „Dies hilft uns, das vollständige Bild eines biologischen Systems zu untersuchen. Dies ermöglicht uns, für jede biologische Probe über die drei Dimensionen hinaus zu sehen – wir sehen die 3D-Struktur plus drei Dimensionen der molekularen Orientierung, was uns 6D-Bilder liefert.“

Die Forscher entwickelten eine computergestützte Bildgebungstechnologie, die Software und Hardware zusammenführt, um das zuvor Unsichtbare erfolgreich zu sehen.

„Das ist Teil der Innovation“, sagte Lew. „Traditionell waren biologische Bildgebungslabore an das gebunden, was kommerzielle Hersteller herstellten. Aber wenn wir die Dinge anders konstruieren, können wir so viel mehr tun.“