STED-bild (vänster) och röntgenbild (höger) av samma hjärtvävnadscell från en råtta. För STED, nätverket av aktinfilament i cellen, vilket är viktigt för cellens mekaniska egenskaper, har märkts med ett fluorescerande färgämne. Kontrast i röntgenbilden, å andra sidan, är direkt relaterad till den totala elektrondensiteten, med bidrag av märkta och omärkta molekyler. Genom att ha båda kontrasterna till hands, cellens struktur kan avbildas på ett mer komplett sätt, med de två avbildningsmodaliteterna "informera varandra". Kredit:Högskolan i Göttingen, M. Bernhardt et al.
En forskargrupp från universitetet i Göttingen har beställt en världsomspännande unik mikroskopkombination vid DESY:s röntgenkälla PETRA III för att få nya insikter om biologiska celler. Teamet under ledning av Tim Salditt och Sarah Köster beskriver det kombinerade röntgen- och optiska fluorescensmikroskopet i tidskriften Naturkommunikation . För att testa prestandan hos enheten installerad på DESYs mätstation P10, forskarna undersökte hjärtmuskelceller med sin nya metod.
Modern ljusmikroskopi ger allt skarpare bilder viktiga nya insikter i biologiska cellers inre processer, men högsta upplösning erhålls endast för den del av biomolekyler som avger fluorescensljus. För det här syftet, små fluorescerande markörer måste först fästas på molekylerna av intresse, till exempel proteiner eller DNA. Den kontrollerade omkopplingen av det fluorescerande färgämnet i det så kallade STED-mikroskopet (stimulated emission depletion) möjliggör då högsta upplösning ner till några miljarddels meter, enligt principen om optisk växling mellan on- och off-state introducerad av Nobelpristagaren Stefan Hell från Göttingen.
"Men hur kan vi få skarpa bilder av alla cellulära komponenter, inklusive de molekyler till vilka fluorescerande markörer inte kan fästas, " frågar Salditt. "Hur kan vi belysa den "mörka bakgrunden" för alla omärkta molekyler, där de specifikt märkta fluorescerande biomolekylerna är inbäddade?"
Salditts och Kösters team har nu kombinerat ett STED- och ett röntgenmikroskop, som kvasi samtidigt kan kartlägga fluorescens och densitetsfördelningen av den totala mängden cellulära komponenter i cellen. "Dessutom, röntgendiffraktionsexperiment, som är välkända från kristallografi, kan också utföras på exakt kontrollerade positioner i cellen, " förklarar medförfattaren Michael Sprung, huvudet för mätstationen P10 där den nya enheten har installerats.
"Med detta nya röntgen/STED-mikroskop har vi först visualiserat ett nätverk av proteinfilament i hjärtmuskelceller i STED-läge. Cellerna avbildades sedan också med röntgenholografi för att täcka den rumsliga fördelningen av massdensitet i hela cellen , inklusive alla dess komponenter, " förklarar Mårten Bernhardt, huvudförfattare till artikeln. "Genom att använda komplementär kontrast strävar vi efter en mer fullständig förståelse av strukturen som ligger bakom sammandragbarhet och kraftgenerering i cellerna, " tillägger Salditt. "I framtiden, vi vill tillämpa detta även för att observera dynamiska processer i levande celler, " förklarar Köster, talesperson för det kollaborativa forskningscentret Kollektivt beteende av mjuka och biologiska ämnen från German Science Foundation (DFG), som ger forskningsramen för experimenten.
