Northwestern Engineering forskare har utvecklat en ny plattform som kan avbilda enstaka molekyler i 3D, så att djupare sonder kan komma in i cellernas inre funktion.

Plattformen använder spektroskopisk enkelmolekylär lokaliseringsmikroskopi (sSMLM), ett verktyg som samtidigt kan fånga den rumsliga informationen om enstaka molekyler och deras spektroskopiska signaturer.

Forskare förbättrade verktyget genom att kombinera befintliga sSMLM med ett två-spegelsystem, så att den kan bildmolekyler i 3D på mycket större djup. Detta nya verktyg kan hjälpa molekylära biologer att förstå komplexa processer inuti celler.

"Vår design är relativt enkel att implementera, och kommer att tillåta oss att studera molekylära interaktioner mycket bättre än tidigare, "sa Hao Zhang, professor i biomedicinsk teknik och medförfattare till forskningen. "Nu kan vi inte bara se var molekyler är, men också vad de är. "Zhang utvecklade tekniken med Cheng Sun, docent i maskinteknik.

Resultaten publicerades 21 maj i tidningen Optica . Medförfattare inkluderade Ki-HeeSong, en doktorsexamen kandidat, och Yang Zhan, en postdoktor, båda av Northwestern:s avdelning för biomedicinsk teknik.

Imaging i 3D

Under de senaste åren har forskare och ingenjörer har använt sSMLM för att bättre förstå molekylära interaktioner och celldynamik. Systemet ger information om molekylernas placering och hur dessa molekyler interagerar med ljus, som berättar för forskare vilken typ av molekyl de ser.

Men systemet fungerar bara i två dimensioner, ger bara en delvis bild av molekyler och deras interaktioner.

Zhang och Sun ville utvidga avbildning till 3D och utvecklade ursprungligen ett sätt att göra detta genom att lägga till ett extra objektiv, men fann att ett par speglar kan uppnå samma effekt på ett mycket mer elegant sätt.

Speglarna fungerar genom att införa en optisk väglängdskillnad i systemet som förbättrar hur systemet använder fotoner. Till skillnad från linser, de flesta speglar dämpar inte ljus som reflekteras, vilket betyder att fler fotoner kan användas för nanoskopisk lokalisering för att skapa en skarpare bild och sträcker sig avbildning till 3D-djupintervall.

Med 3D-bildanalys i nanoskala, forskare kan se fler interaktioner som händer inom den intracellulära volymen utan att överskuggas av ytan. Till exempel, Zhang, Sol, och deras medarbetare använder systemet för att studera molekylernas intercellulära fördelning, titta på hur RNA transporteras och interagerar med cellorganeller innan det översätts till proteiner.

"Detta system kan ha djupa konsekvenser för molekylärbiologi, "Sa Zhang.

Även om tidigare molekylära avbildningssystem använde optiska filter för att upptäcka olika typer av molekyler baserat på deras väl separerade utsläppsfärger, det nya systemet kan upptäcka små skillnader i molekylära utsläpp från varje molekyl och analysera spektrumet för att skilja dem.

"Vi kan nu färgkoda varje molekyl, "Sa Sun." Det är en viktig styrka. "

Förstå nanoskala processer

Nästa, forskarna hoppas kunna fortsätta förfina tekniken, samt använda den i molekylärbiologiska studier.

De arbetar med medarbetare för att studera kärnans porstruktur och hur den är inblandad i stamcellsdifferentiering, och studerar också depolarisering av mitokondriemembranet, en händelse i samband med många sjukdomar, inklusive synförlust hos diabetespatienter. De hoppas också att deras teknik hjälper andra på området.

"Det är en mycket elegant design, "Sun sa." Systemet kan mycket enkelt implementeras i andra laboratorier, och den har en vacker prestanda. "