Forskare har utvecklat en ny teknik för att se levande däggdjursceller. Teamet använde en kraftfull laser, kallad en mjuk röntgenfri elektronlaser, för att avge ultrasnabba belysningspulser med en hastighet av femtosekunder, eller kvadriljondelar av en sekund.
Med detta kunde de för första gången ta bilder av kolbaserade strukturer i levande celler, innan den mjuka röntgenstrålningen skadade dem. Förfinade Wolter-speglar, en typ av ultraprecis spegel, skapades för att mikroskopet skulle kunna ta bilder med hög rumslig upplösning och ett brett synfält.
I framtiden hoppas teamet kunna använda detta mikroskop för att bättre förstå cellbiologins dynamiska natur. Studien publiceras i tidskriften Optica .
Det är skillnad på mjuka röntgenstrålar och hårda röntgenstrålar. Hårda röntgenstrålar är vad du med största sannolikhet har stött på om du har varit på flygplatsens säkerhetskontroll eller drabbats av en bruten lem. Mjuka röntgenstrålar är mer typiskt begränsade till forskning, från att studera biologi och kemi till mineraler och meteoriter. Mjuka röntgenstrålar kan ge kemisk information om prover och detaljerade bilder på subcellulär nivå, men deras användning har begränsats på grund av den mycket specialiserade utrustning som krävs och, inom biologin, de skador de orsakar på levande celler.
Men ett team av forskare har konstruerat ett nytt mjukt röntgenmikroskop genom vilket de kunde se levande däggdjursceller för första gången. De kunde ta bilder av kolstrukturer i cellerna, som inte tidigare setts med andra instrument. Kol är en av livets huvudelement, så detta ger ett nytt fönster till en viktig del av oss själva.
Mikroskopet har två nyckelkomponenter:en mjuk röntgenfri elektronlaser; och mycket exakta Wolter-speglar, en typ av spegel som används ofta i röntgenteleskop för att observera rymden. Speglarna gjordes med hjälp av teknik skapad av huvudförfattaren Satoru Egawa, biträdande professor vid forskningscentret för avancerad vetenskap och teknologi vid Tokyos universitet.
"En mjuk röntgenfri elektronlaser gav pulsbelysning med en hastighet av tiotals femtosekunder (med en femtosekund är en miljondels av en miljarddels sekund). Den ultrakorta varaktigheten av strålningspulserna gjorde det möjligt för oss att ta en bild före strukturen i den levande cellen förändrades av strålningsskador," förklarade Egawa.
"Vi använde Wolter-speglar för belysning och bildbehandling. Dessa speglar ger ett brett synfält, tål bestrålning från de kraftfulla lasrarna och uppvisar ingen färgförvrängning, vilket gör dem idealiska för att observera prover vid olika våglängder."
Även om mjuka röntgenfria elektronlasrar tidigare har använts för att studera mindre virus och bakterier, var däggdjursceller för stora för att studeras på detta sätt. Men genom att använda Wolter-speglar kunde teamet uppnå ett bredare synfält och använda en tjockare provhållare som kunde hålla större celler.
De resulterande bilderna visade detaljer om kolhalten i cellerna som inte hade setts med andra metoder, såsom elektronmikroskopi och fluorescensmikroskopi.
"Det var förvånande för oss att hitta en kolväg mellan nukleolus (en struktur i cellens kärna, involverad i cellfunktion och överlevnad) och kärnmembranet (som omsluter kärnan), som inte hade observerats med mikroskop för synligt ljus, " sa Egawa.
Ljusare mjuka röntgenfria elektronlasrar finns tillgängliga som skulle möjliggöra ännu tydligare bilder med mindre kornigt "brus". Genom att lägga till ljusare lasrar och mer exakta Wolter-speglar hoppas teamet kunna uppgradera mikroskopet så att det kan observera fler biokemiska element. Detta kan också hjälpa till att belysa några av de vitala reaktionerna och interaktionerna som äger rum i levande celler.
Mer information: Satoru Egawa et al, Observation av levande celler från däggdjur med femtosekund enkelpulsbelysning genererad av en mjuk röntgenfri elektronlaser, Optica (2024). DOI:10.1364/OPTICA.515726
Journalinformation: Optica
Tillhandahålls av University of Tokyo
