Eine neue Technologie, die teilweise vom Design des James Webb Space Telescope (JWST) inspiriert ist, verwendet Spiegelsegmente, um Licht im mikroskopischen Maßstab zu sortieren und zu sammeln und Bilder von Molekülen mit einer neuen Auflösungsebene aufzunehmen: jeweils Position und Ausrichtung in drei Dimensionen.
Einzelheiten zu diesem neuen System, das von Oumeng Zhang, einem kürzlich promovierten Wissenschaftler, entwickelt wurde. Absolvent des Labors von Matthew Lew, außerordentlicher Professor für Elektro- und Systemtechnik an der McKelvey School of Engineering an der Washington University in St. Louis, wurden am 5. Dezember in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphotonik.
Wie das Weltraumteleskop ist auch das radial und azimutal polarisierte Multi-View-Reflektor-Mikroskop (raMVR) darauf angewiesen, so viel Licht wie möglich zu sammeln. Aber anstatt dieses Licht zu verwenden, um weit entfernte Dinge zu sehen, verwendet es es, um verschiedene Merkmale von winzigen, fluoreszierenden Molekülen zu erkennen, die an Proteinen und Zellmembranen befestigt sind.
„Der Aufbau ist teilweise von Teleskopen inspiriert“, sagte Zhang. „Es ist ein sehr ähnlicher Aufbau. Anstelle der bekannten Wabenform des JWST verwenden wir pyramidenförmige Spiegel.“
Derzeit stehen Mikroskope in diesem Bereich vor Herausforderungen bei der Erstellung biologischer Bilder. Zum einen reagieren so kleine Lichtmengen der fluoreszierenden Moleküle empfindlich auf kleinste Abweichungen – einschließlich der trüben Umgebung in einer Zelle. Aus diesem Grund stützt sich eine präzise Bildgebung stärker auf die Computerverarbeitung, um die Ausrichtung zu bestimmen, nachdem ein Bild aufgenommen wurde.
Bildnachweis: Washington University in St. Louis
„Denken Sie daran, ein Farbbild zu erstellen, wenn Sie nur Graustufen-Kamerasensoren haben“, sagte Lew. „Sie könnten versuchen, die Farbe mit einem Rechenwerkzeug nachzubilden, oder Sie können sie direkt mit einem Farbsensor messen, der verschiedene absorbierende Farbfilter auf verschiedenen Pixeln verwendet, um Farben zu erkennen.“
In ähnlicher Weise erkennen Standardmikroskope einfach nicht, wie Moleküle ausgerichtet sind. Das raMVR-Mikroskop verwendet Polarisationsoptiken, sogenannte Wellenplatten, zusammen mit seinen pyramidenförmigen Spiegeln, um Licht in acht Kanäle zu trennen, von denen jeder einen anderen Teil der Position und Ausrichtung des Moleküls darstellt.
Insbesondere ist das raMVR-Mikroskop keine kleine Technologie. Aber kleiner ist nicht immer besser.
„An der Spitze der technischen Physik müssen wir oft Kompromisse eingehen, um unsere Instrumente kompakt zu machen“, sagte Lew. „Hier haben wir uns entschieden, einen anderen Weg einzuschlagen: Wie könnten wir jedes kostbare bisschen Licht nutzen, um eine möglichst präzise Messung zu ermöglichen? Es macht absolut Spaß, anders über die Architektur eines Mikroskops nachzudenken, und hier denken wir an die neu entdeckte 6D-Bildgebung Leistung wird in naher Zukunft neue wissenschaftliche Entdeckungen ermöglichen.“
Mehr Informationen:
Oumeng Zhang et al., Sechsdimensionale Einzelmolekülbildgebung mit isotroper Auflösung unter Verwendung eines Multi-View-Reflektormikroskops, Naturphotonik (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01116-6