Neues Verfahren ermöglicht klaren, präzisen Blick ins Innere

Aus diesem Grund schwamm Jaws mehr als eine Stunde lang außer Sichtweite, und es deutet auf den Glamour von Geschenkverpackungen hin. In Kinos, Wohnzimmern und sogar Labors kann man sich darauf verlassen, dass der Nervenkitzel des Unsichtbaren uns rätseln lässt. Aber wenn es um die verborgene chemische Welt der Zellen geht, brauchen sich Wissenschaftler nicht mehr zu wundern.

Inspiriert von diesem Nervenkitzel entwickelten Forscher am Beckman Institute for Advanced Science and Technology eine innovative Methode, um die Feinstruktur und chemische Zusammensetzung einer menschlichen Zelle mit unübertroffener Klarheit und Präzision zu „sehen“. Ihre Technik, die in erschien PNAS Anfang dieser Woche, verfolgt einen kreativen – und kontraintuitiven – Ansatz zur Signalerkennung.

„Biologie ist eine der aufregendsten Wissenschaften unserer Zeit, weil es immer eine Kluft zwischen dem gab, was wir sehen können, und dem, was wir nicht sehen können“, sagte Rohit Bhargava, Professor für Bioingenieurwesen an der University of Illinois Urbana-Champaign, der die Studie leitete lernen.

Als die kleinsten funktionellen Einheiten in unserem Körper ziehen Zellen seit langem die Aufmerksamkeit von Forschern auf sich, die daran interessiert sind, herauszufinden, woraus sie bestehen und wo sich jedes Element befindet. Zusammen bilden das „Was“ und das „Wo“ einen universellen zellulären Bauplan, der zum Studium von Biologie, Chemie, Materialien und mehr verwendet werden kann.

Vor dieser Studie gehörte es zu den Unmöglichen, eine hochauflösende Kopie dieser Blaupause zu erhalten.

„Jetzt können wir einfacher als je zuvor in einer viel feineren Auflösung und mit signifikanten chemischen Details in das Innere von Zellen sehen“, sagte Bhargava. „Diese Arbeit eröffnet eine Reihe von Möglichkeiten, einschließlich einer neuen Möglichkeit, die kombinierten chemischen und physikalischen Aspekte zu untersuchen, die die menschliche Entwicklung und Krankheit steuern.“

Die Arbeit der Forscher baut auf früheren Fortschritten auf dem Gebiet der chemischen Bildgebung auf.

Während die optische Mikroskopie sichtbares Licht verwendet, um Oberflächenmerkmale wie Farbe und Struktur zu beleuchten, verwendet die chemische Bildgebung unsichtbares Infrarotlicht, um das Innenleben einer Probe sichtbar zu machen.

Wenn eine Zelle IR-Licht ausgesetzt wird, steigt ihre Temperatur und sie dehnt sich aus. Wir wissen von Nachtsichtbrillen, dass keine zwei Objekte IR-Wellenlängen auf genau die gleiche Weise absorbieren; Der Vergleich eines Pudels mit einer Parkbank ist Beweis genug dafür, dass wärmere Objekte stärkere IR-Signaturen aussenden als kühlere. Das Gleiche gilt für das Innere einer Zelle, wo jeder Molekültyp IR-Licht mit einer leicht unterschiedlichen Wellenlänge absorbiert und eine einzigartige chemische Signatur abgibt. Die Untersuchung der Absorptionsmuster – eine Methode namens Spektroskopie – ermöglicht es den Forschern, den Aufenthaltsort jedes einzelnen zu bestimmen.

Anders als bei Nachtsichtbrillen werten die Forscher die Absorptionsmuster nicht als Farbspektrum aus. Stattdessen interpretieren sie die IR-Wellen mit einem Signaldetektor: ein winziger Strahl, der an einem Ende am Mikroskop befestigt ist, mit einer feinen Spitze, die wie die nanoskalige Nadel eines Plattenspielers über die Zelloberfläche kratzt.

Innovationen in der Spektroskopie in den letzten zehn Jahren haben sich darauf konzentriert, die Stärke der anfänglichen IR-Wellenlängen stetig zu erhöhen.

„Es ist ein intuitiver Ansatz, weil wir darauf konditioniert sind, größere Signale für besser zu halten. Wir denken: ‚Je stärker das IR-Signal ist, desto höher wird die Temperatur einer Zelle, desto mehr dehnt sie sich aus und desto besser wird sie zu sehen sein.“ “, sagte Bhargava.

In diesem Ansatz verbirgt sich ein beträchtlicher Rückschlag. Wenn sich die Zelle ausdehnt, wird die Bewegung des Signaldetektors übertriebener und erzeugt „Rauschen“: sogenannte statische Aufladung, die genaue chemische Messungen behindert.

„Es ist, als würde man die Wählscheibe eines rauschenden Radiosenders aufdrehen – die Musik wird lauter, aber auch das Rauschen“, sagte Seth Kenkel, Postdoktorand im Labor von Professor Bhargava und Hauptautor der Studie.

Mit anderen Worten, egal wie stark das IR-Signal wurde, die Qualität der chemischen Bildgebung konnte nicht verbessert werden.

„Wir brauchten eine Lösung, um zu verhindern, dass das Rauschen neben dem Signal zunimmt“, sagte Kenkel.

Das Mittel der Forscher gegen verrauschte zelluläre Bildgebung funktioniert, indem das IR-Signal von der Bewegung des Detektors getrennt wird, was eine Verstärkung ohne zusätzliches Rauschen ermöglicht.

Anstatt ihre Energien auf das stärkste mögliche IR-Signal zu konzentrieren, begannen die Forscher mit dem Experimentieren mit dem kleinsten Signal, das sie bewältigen konnten, um sicherzustellen, dass sie ihre Lösung effektiv implementieren konnten, bevor sie die Stärke erhöhten. Obwohl „kontraintuitiv“, so Kenkel, erlaubte es den Forschern, klein anzufangen, ein Jahrzehnt der Spektroskopieforschung zu würdigen und wichtige Grundlagen für die Zukunft des Feldes zu legen.

Bhargava vergleicht den Ansatz mit einem schiefgegangenen Roadtrip.

„Stellen Sie sich vor, Spektroskopieforscher sitzen in einem Auto und fahren zum Grand Canyon. Natürlich würde jeder denken, je schneller sich das Auto bewegt, desto schneller erreichen sie das Ziel. Aber das Problem ist, dass das Auto von Urbana nach Osten fährt.“ ,“ er sagte.

Das Erhöhen der Geschwindigkeit des hypothetischen Autos ist analog zum Verstärken des IR-Signals.

„Wir haben angehalten, auf eine Karte geschaut und das Auto in die richtige Richtung gelenkt. Jetzt kann die erhöhte Geschwindigkeit – das verstärkte Signal – das Feld effektiv voranbringen.“

Die „Karte“ der Forscher ermöglicht hochauflösende chemische und strukturelle Abbildungen von Zellen im Nanomaßstab – einem Maßstab, der 100.000-mal kleiner ist als eine Haarsträhne. Bemerkenswerterweise ist diese Technik frei von fluoreszierender Markierung oder Farbstoffmolekülen, um ihre Sichtbarkeit unter einem Mikroskop zu erhöhen.

Während die Einrichtungen in Beckmans Microscopy Suite für die experimentelle Phase der Studie von entscheidender Bedeutung waren, entstand die Idee selbst nicht aus ausgeklügelter Technologie, sondern aus einer Kultur, die Neugier, unkonventionelle Problemlösung und unterschiedliche Perspektiven unterstützte.

„Deshalb ist das Beckman Institute ein erstaunlicher Ort“, sagte Bhargava. „Dieses Projekt brauchte Ideen aus der Spektroskopie, aus dem Maschinenbau, aus der Signalverarbeitung und natürlich aus der Biologie. Sie können diese Bereiche nirgendwo anders als bei Beckman nahtlos kombinieren. Diese Studie ist ein klassisches Beispiel für Beckmans Mischung aus interdisziplinärer Wissenschaft auf dem neuesten Stand.“ fortgeschrittener Wissenschaft und Technologie.“