Hoewel structurele beeldvorming van cellen op nanoschaal nu mogelijk is, ontbreekt een directe registratie van de chemische samenstelling van deze domeinen. Wetenschappers van het Beckman Institute for Advanced Science and Technology hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om de ingewikkelde details en chemische samenstelling van een menselijke cel met ongeëvenaarde helderheid en precisie te 'zien'. Hun methode benadert signaalidentificatie op een unieke en contra-intuïtieve manier.
Rohit Bhargava, professor bio-engineering aan de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign die de studie leidde, zei: "Nu kunnen we gemakkelijker dan ooit in een veel fijnere resolutie en met significante chemische details in cellen kijken. Dit werk opent vele mogelijkheden, waaronder een nieuwe manier om de gecombineerde chemische en fysische aspecten te onderzoeken die de ontwikkeling en ziekte van de mens bepalen.”
Dit nieuwe werk is geïnspireerd op de laatste stappen in chemische beeldvorming.
Het blootstellen van een cel aan IR-licht verhoogt de temperatuur en leidt tot cel expansie. We kunnen een poedel vergelijken met een bankje in het park om te zien dat geen twee voorwerpen infraroodgolflengten op dezelfde manier absorberen. Nachtkijkers laten ook zien dat warmere objecten sterkere IR-signaturen genereren dan koelere. Hetzelfde is waar in een cel, waar verschillende soorten moleculen een bepaalde chemische signatuur afgeven en IR-licht op een andere golflengte absorberen. Wetenschappers kunnen ieders locatie identificeren door spectroscopisch de absorptiepatronen te analyseren.
In plaats van de absorptiepatronen als een kleurenspectrum te analyseren, interpreteerden wetenschappers de IR-golven met een signaaldetector: een minuscule straal die aan een uiteinde aan de microscoop was bevestigd, met een fijne punt die over het oppervlak van de cel schraapt als de naald op nanoschaal van een platenspeler.
Na celexpansie wordt de beweging van de signaaldetector meer overdreven en genereert "ruis": zogenaamde ruis die nauwkeurige chemische metingen belemmert.
Bhargava zei, “Het is een intuïtieve benadering omdat we geconditioneerd zijn om grotere signalen als beter te beschouwen. We denken dat hoe sterker het IR-signaal is, hoe hoger de temperatuur van een cel wordt, hoe meer hij uitzet en hoe gemakkelijker hij te zien is.”
Seth Kenkel, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van professor Bhargava en de hoofdauteur van de studie, zei: "Het is alsof je de draaiknop op een statisch radiostation opendraait - de muziek wordt luider, maar dat geldt ook voor de ruis."
"Met andere woorden, hoe krachtig het IR-signaal ook werd, de kwaliteit van de chemische beeldvorming kon niet verbeteren."
"We hadden een oplossing nodig om te voorkomen dat de ruis naast het signaal toeneemt."
In plaats van hun energie te richten op het sterkst mogelijke IR-signaal, begonnen wetenschappers te experimenteren met het kleinste signaal dat ze aankonden, om ervoor te zorgen dat ze hun oplossing effectief konden implementeren voordat ze de sterkte verhoogden.
Kenkel zei, "Hoewel 'contra-intuïtief', konden we door klein te beginnen een decennium van spectroscopie-onderzoek eren en een kritische basis leggen voor de toekomst van het veld."
De aanpak maakt chemische en structurele beeldvorming met hoge resolutie van cellen op nanoschaal mogelijk - een schaal die 100,000 keer kleiner is dan een streng haar. Het belangrijkste is dat deze techniek vrij is van fluorescerende labels of kleurmoleculen om hun zichtbaarheid onder een microscoop te vergroten.
Journal Reference:
- Seth Kenkel, Mark Gryka, et al. Chemische beeldvorming van cellulaire ultrastructuur door infrarood spectroscopische metingen met null-deflectie. PNAS DOI: 10.1073 / pnas.2210516119
