Während die strukturelle Abbildung von Zellen im Nanomaßstab mittlerweile möglich ist, fehlt eine direkte Aufzeichnung der chemischen Zusammensetzung dieser Domänen. Wissenschaftler des Beckman Institute for Advanced Science and Technology haben eine neuartige Technik entwickelt, um die komplizierten Details und die chemische Zusammensetzung einer menschlichen Zelle mit beispielloser Klarheit und Präzision zu „sehen“. Ihre Methode nähert sich der Signalidentifizierung auf einzigartige und kontraintuitive Weise.
Rohit Bhargava, Professor für Bioingenieurwesen an der Universität von Illinois Urbana-Champaign der die Studie leitete, sagte: „Jetzt können wir das Innere von Zellen einfacher als je zuvor in einer viel feineren Auflösung und mit signifikanten chemischen Details sehen. Diese Arbeit eröffnet viele Möglichkeiten, einschließlich einer neuen Möglichkeit, die kombinierten chemischen und physikalischen Aspekte zu untersuchen, die die menschliche Entwicklung und Krankheit steuern.“
Diese neue Arbeit ist von den letzten Fortschritten in der chemischen Bildgebung inspiriert.
Die Einwirkung von IR-Licht auf eine Zelle erhöht ihre Temperatur und führt zu Zellausdehnung. Wir können einen Pudel mit einer Parkbank vergleichen und sehen, dass keine zwei Gegenstände Infrarotwellenlängen auf die gleiche Weise absorbieren. Nachtsichtbrillen zeigen auch, dass wärmere Objekte stärkere IR-Signaturen erzeugen als kühlere. Das Gleiche gilt in einer ZelleDabei setzen verschiedene Arten von Molekülen eine bestimmte chemische Signatur frei und absorbieren IR-Licht mit einer anderen Wellenlänge. Wissenschaftler können den Standort jedes Einzelnen durch spektroskopische Analyse der Absorptionsmuster identifizieren.
Anstatt die Absorptionsmuster als Farbspektrum zu analysieren, interpretierten die Wissenschaftler die IR-Wellen mit einem Signaldetektor: einem winzigen Strahl, der an einem Ende am Mikroskop befestigt war und dessen feine Spitze wie die nanoskalige Nadel eines Plattenspielers über die Zelloberfläche kratzte.
Nach der Zellexpansion wird die Bewegung des Signaldetektors stärker und erzeugt „Rauschen“: sogenanntes Rauschen, das genaue chemische Messungen verhindert.
Bhargava sagte: „Es ist ein intuitiver Ansatz, weil wir darauf konditioniert sind, größere Signale für besser zu halten. Wir glauben, je stärker das IR-Signal ist, desto höher wird die Temperatur einer Zelle, desto stärker dehnt sie sich aus und desto leichter ist sie zu erkennen.“
Seth Kenkel, Postdoktorand im Labor von Professor Bhargava und Hauptautor der Studie, sagte: „Es ist, als würde man den Regler eines Radiosenders mit statischem Rauschen aufdrehen – die Musik wird lauter, aber auch das Rauschen.“
„Mit anderen Worten, egal wie stark das IR-Signal wurde, die Qualität der chemischen Bildgebung konnte sich nicht verbessern.“
„Wir brauchten eine Lösung, um zu verhindern, dass das Rauschen neben dem Signal zunimmt.“
Anstatt ihre Energie auf das stärkste mögliche IR-Signal zu konzentrieren, begannen die Wissenschaftler mit dem kleinsten Signal zu experimentieren, das sie bewältigen konnten, um sicherzustellen, dass sie ihre Lösung effektiv umsetzen konnten, bevor sie die Stärke erhöhten.
Kenkel sagte, „Obwohl es „kontraintuitiv“ war, ermöglichte uns der kleine Anfang, ein Jahrzehnt Spektroskopieforschung zu würdigen und entscheidende Grundlagen für die Zukunft des Fachgebiets zu legen.“
Der Ansatz ermöglicht eine hochauflösende chemische und strukturelle Abbildung von Zellen im Nanomaßstab – einem Maßstab, der 100,000 Mal kleiner als ein Strang ist Haut. Am wichtigsten ist, dass diese Technik frei von fluoreszierenden Markierungs- oder Farbstoffmolekülen ist, um ihre Sichtbarkeit unter dem Mikroskop zu erhöhen.
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