• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Mikroskopi genombrott avslöjar hur proteiner beter sig i 3-D

    Ett nytt mikroskopisystem som kan avbilda enskilda molekyler i 3D och fånga hur de "vacklar" använder en specialkonstruerad glasplatta utvecklad av optiska forskare vid University of Rochester. Kredit:University of Rochester foto / J. Adam Fenster

    Sex år sedan, Nobelpriset i kemi tilldelades tre forskare för att de hittat sätt att visualisera enskilda molekylers vägar inuti levande celler.

    Nu, Forskare vid University of Rochester och Fresnel Institute i Frankrike har hittat ett sätt att visualisera dessa molekyler i ännu större detalj, visar deras position och orientering i 3D, och till och med hur de vinglar och pendlar. Arbetet kan ge ovärderliga insikter om de biologiska processerna som är involverade, till exempel, när en cell och de proteiner som reglerar dess funktioner reagerar på viruset som orsakar covid-19.

    "När ett protein ändrar form, det exponerar andra atomer som förbättrar den biologiska processen, så förändringen av formen på ett protein har en enorm effekt på andra processer inuti cellen, säger Sophie Brasselet, direktör för Fresnelinstitutet, som samarbetade med Miguel Alonso och Thomas Brown, båda professorer i optik vid Rochester.

    Smeknamnet CHIDO - för "Coordinate and Height super-resolution Imaging with Dithering and Orientation" - tekniken beskrivs i en ny artikel publicerad i Naturkommunikation . Designad och byggd av huvudförfattarna Valentina Curcio, en Ph.D. student i Brasselets grupp, och Luis Aleman-Castaneda, en Ph.D. student i Alonsos grupp, CHIDO är exakt inom "tiotals nanometer i position och några få graders orientering" när det gäller att bestämma parametrarna för enskilda molekyler, " rapporterar laget.

    Genom att använda en glasskiva som utsätts för jämn påfrestning runt hela dess periferi, enheten kan skapa och extrapolera våglängdsoscillationer och förändringar i polarisation som uppstår när molekyler observeras i ett fluorescensmikroskop. Den nya tekniken förvandlar bilden av en enda molekyl till en förvrängd brännpunkt, vars form direkt kodar mer exakt 3D-information än tidigare mätverktyg. I själva verket, CHIDO kan producera strålar som har alla möjliga polarisationstillstånd.

    "Detta är en av optikens skönheter, " säger Brown. "Om du har en enhet som kan skapa nästan alla polariseringstillstånd, då har du också en enhet som kan analysera nästan alla möjliga polariseringstillstånd."

    Glasplattan har sitt ursprung i Browns labb som en del av hans långa intresse för att utveckla strålar med ovanliga polarisationer. Alonso, en expert på teorin om polarisering, arbetat med Brown på sätt att förfina denna "mycket enkla men mycket eleganta enhet" och utöka dess applikationer. Under ett besök i Marseille, Alonso beskrev plattan för Brasselet, en expert på ny instrumentering för fluorescens och icke-linjär avbildning. Brasselet föreslog omedelbart dess möjliga användning i de mikroskopitekniker hon arbetade med för att avbilda enskilda molekyler.

    "Det har varit ett väldigt kompletterande lag, säger Brasselet.

    20 år på väg

    År 1873, Ernst Abbe föreskrev att mikroskop aldrig skulle få bättre upplösning än halva ljusets våglängd. Den barriären stod sig tills Nobelpristagarna Eric Betzig och William Moerner – med sin enmolekylmikroskopi – och Stefan Hell – med sin stimulerade emissionsutarmningsmikroskopi – hittade sätt att kringgå den.

    Thomas Brown, professor i optik, har en glasplatta som har konstruerats för ett nytt mikroskopisystem som kan avbilda enskilda molekyler i tre dimensioner samt fånga hur de "vacklar". Kredit:University of Rochester foto / J. Adam Fenster

    "På grund av deras prestationer kan det optiska mikroskopet nu titta in i nanovärlden, " rapporterade Nobelkommittén 2014.

    "Det som saknades i det Nobelpriset och arbetet under de efterföljande åren var förmågan att inte bara exakt veta var en molekyl befinner sig, men för att kunna karakterisera dess riktning och särskilt dess rörelse i tre dimensioner, " säger Brown.

    Faktiskt, lösningen Brown, Alonso, och Brasselet nu beskriver hade sitt ursprung för 20 år sedan.

    Från och med 1999, Brown och en av hans Ph.D. studenter, Kathleen Youngworth, började undersöka ovanliga optiska strålar som visade ovanliga mönster av optisk polarisation, orienteringen av den optiska vågen. Några av balkarna uppvisade ett ekerliknande radiellt mönster med spännande egenskaper.

    Youngworth demonstrerade på en bordsskiva att, när man är hårt fokuserad, strålarna uppvisade polarisationskomponenter som pekade i nästan vilken riktning som helst i tre dimensioner.

    Alexis Spilman Vogt, ytterligare en Ph.D. kandidat, arbetade sedan med Brown för att skapa samma effekter genom att applicera stress på kanterna på en glascylinder. Browns svåger, Robert Sampson, en skicklig verktygs- och formspecialist, uppmanades att tillverka några prover och passa dem i metallringar för användning med ett konfokalmikroskop.

    Detta innebar uppvärmning av både glas- och metallringarna. "Metall expanderar snabbare när du värmer den än vad glas gör, Brown säger, "och så kan du värma upp glaset och metallen väldigt varmt, sätt in glaset i mitten av metallen, och när den svalnar skulle metallen krympa och skapa en enorm kraft på glasets periferi."

    Sampson applicerade oavsiktligt mer stress än vad som krävs med en av plattorna. Så snart hans svåger överlämnade den till honom, Brown visste att plattan hade ovanliga egenskaper. Rochester-gruppen introducerade termen "stress engineered optic" för att beskriva elementen och, när de lärde sig mer om både det fysiska beteendet och matematiken, de insåg att fönstren kunde vara vägen för att lösa helt nya problem inom mikroskopi.

    Och det var ursprunget till det som nu är CHIDO, som, av en slump, råkar vara mexikansk slang för "cool".

    "Vid den tiden visste Alexis och jag att det stresskonstruerade glaset var intressant, och skulle sannolikt ha användbara tillämpningar; vi visste bara inte vid den tiden vad de kunde vara, " säger Brown. Nu, tack vare hans samarbete med Alonso och Brasselet, han hoppas att CHIDO kommer att "fånga fantasin" hos andra forskare inom området som kan hjälpa till att ytterligare förfina och tillämpa tekniken.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com