Även om strukturell avbildning av celler i nanoskala nu är möjlig, saknas en direkt registrering av den kemiska sammansättningen av dessa domäner. En ny teknik skapades av forskare vid Beckman Institute for Advanced Science and Technology för att "se" de intrikata detaljerna och kemiska sammansättningen av en mänsklig cell med oöverträffad klarhet och precision. Deras metod närmar sig signalidentifiering på ett unikt och kontraintuitivt sätt.
Rohit Bhargava, professor i bioteknik vid University of Illinois Urbana-Champaign som ledde studien sa, "Nu kan vi se inuti celler i en mycket finare upplösning och med betydande kemiska detaljer lättare än någonsin. Detta arbete öppnar många möjligheter, inklusive ett nytt sätt att undersöka de kombinerade kemiska och fysikaliska aspekterna som styr mänsklig utveckling och sjukdomar.”
Detta nya arbete är inspirerat av de sista stegen inom kemisk bildbehandling.
Att exponera en cell för IR-ljus höjer dess temperatur och leder till cellexpansion. Vi kan jämföra en pudel med en parkbänk för att se att inga två föremål absorberar infraröda våglängder på samma sätt. Nattsynsglasögon visar också att varmare föremål genererar starkare IR-signaturer än kallare. Det samma är sant inuti en cell, där flera typer av molekyler frigör en viss kemisk signatur och absorberar IR-ljus vid en annan våglängd. Forskare kan identifiera var och ens plats genom att spektroskopiskt analysera absorptionsmönstren.
Istället för att analysera absorptionsmönstren som ett färgspektrum, tolkade forskare IR-vågorna med en signaldetektor: en liten stråle fäst vid mikroskopet i ena änden, med en fin spets som skrapar cellens yta som nanoskalan på en skivspelare.
Efter cellexpansion blir signaldetektorns rörelse mer överdriven och genererar "brus": så kallad statisk ström som hindrar exakta kemiska mätningar.
Bhargava sa, "Det är ett intuitivt tillvägagångssätt eftersom vi är betingade att tänka på större signaler som bättre. Vi tror att ju starkare IR-signalen är, desto högre en cells temperatur blir, desto mer expanderar den och desto lättare blir den att se.”
Seth Kenkel, en postdoktor i professor Bhargavas labb och studiens huvudförfattare, sa: "Det är som att vrida upp ratten på en statisk radiostation - musiken blir högre, men det gör den statiska också."
"Med andra ord, oavsett hur kraftfull IR-signalen blev, kunde kvaliteten på den kemiska avbildningen inte förbättras."
"Vi behövde en lösning för att stoppa bruset från att öka tillsammans med signalen."
Istället för att fokusera sin energi på den starkaste möjliga IR-signalen började forskare experimentera med den minsta signal de kunde hantera, för att säkerställa att de effektivt kunde implementera sin lösning innan de ökade styrkan.
Kenkel sade, "Även om det är "kontraintuitivt" tillät vi att börja i det små att hedra ett decennium av spektroskopiforskning och lägga en kritisk grund för områdets framtid."
Tillvägagångssättet tillåter högupplöst kemisk och strukturell avbildning av celler i nanoskala - en skala 100,000 XNUMX gånger mindre än en sträng av hår. Viktigast är att denna teknik är fri från fluorescerande märkning eller färgningsmolekyler för att öka deras synlighet under ett mikroskop.
Tidskriftsreferens:
- Seth Kenkel, Mark Gryka, et al. Kemisk avbildning av cellulär ultrastruktur genom noll-deflektion infraröda spektroskopiska mätningar. PNAS. DOI: 10.1073 / pnas.2210516119
