Inuti en cell, tentakler vesiklar transporterar last för sortering. DNA omarrangeras i kärnan när stamceller differentierar till neuroner. Närliggande neuroner klamrar sig fast vid varandra genom ett webbliknande gränssnitt. Och en ny mikroskopiteknik visar allt, i utsökt detalj.

Tekniken, kallas cryo-SR/EM, kombinerar bilder tagna från elektronmikroskop och superupplösta ljusmikroskop, resulterade i lysande, tydliga detaljerade vyer av insidan av celler – i 3D.

I åratal, forskare har undersökt den mikroskopiska världen inuti celler, utveckla nya verktyg för att se dessa grundläggande enheter i livet. Men varje verktyg kommer med en avvägning. Ljusmikroskopi gör det enkelt att identifiera specifika cellulära strukturer genom att tagga dem med lätta att se fluorescerande molekyler. Med utvecklingen av superupplösning (SR) fluorescensmikroskopi, dessa strukturer kan ses med ännu större klarhet. Men fluorescens kan bara avslöja ett fåtal av de mer än 10, 000 proteiner i en cell vid en given tidpunkt, vilket gör det svårt att förstå hur dessa få förhåller sig till allt annat. Elektronmikroskopi (EM), å andra sidan, avslöjar alla cellulära strukturer i högupplösta bilder - men att avgränsa en funktion från alla andra med EM enbart kan vara svårt eftersom utrymmet inuti celler är så trångt.

Genom att kombinera de två teknikerna ger forskarna en tydlig bild av hur specifika cellulära egenskaper relaterar till sin omgivning, säger Harald Hess, en senior gruppledare vid Howard Hughes Medical Institutes Janelia Research Campus. "Det här är en mycket kraftfull metod."

Janelia-forskaren David Hoffman och seniorforskaren Gleb Shtengel ledde projektet under ledning av Hess och Janelia seniorstipendiat Eric Betzig, en HHMI-utredare vid University of California, Berkeley. Arbetet beskrivs 16 januari, 2020 i tidningen Vetenskap .

Först, forskarna fryser celler under högt tryck. Det stoppar cellernas aktivitet snabbt och förhindrar bildandet av iskristaller som kan skada celler och störa strukturerna som avbildas. Nästa, forskarna placerar prover i en kryogen kammare, där de avbildas med 3D genom superupplösningsfluorescensmikroskopi vid temperaturer mindre än tio grader över absolut noll. Sedan, de är borttagna, inbäddad i harts, och avbildad i ett kraftfullt elektronmikroskop utvecklat av Hess-labbet. Detta skop skjuter en stråle av joner mot cellernas yta, fräsa bort bit för bit medan du tar bilder av varje nyexponerat lager. Ett datorprogram syr sedan ihop bilderna till en 3D-rekonstruktion.

Till sist, forskare överlagrar 3D-bilddata från båda mikroskopen. Resultatet:fantastiska bilder som avslöjar cellers inre detaljer med otrolig tydlighet.

Utöver detta pressmeddelande finns några videor som illustrerar hur forskare använder tekniken. "Det har redan funnits ett stort intresse, " säger Hess. "Det finns så många fler experiment att göra - en hel värld av celler där ute att studera."

1. Kromatinorganisation

Kärnan i en neuron ser dramatiskt annorlunda ut innan (vänster) och efter (höger) cellen börjar anta sin slutliga vuxenroll. När cellen mognar, DNA packas om i kärnan för att aktivera en ny uppsättning gener. Dessa förändringar återspeglas i de olika mönstren av grå fläckar och färgad fluorescens inuti de två cellerna. "Tekniken gav en otroligt detaljerad ögonblicksbild av tillståndet i kärnan före och efter differentiering, " säger David Solecki på St. Jude Children's Research Hospital, som samarbetade i projektet.

2. Neurala vidhäftningar

Utvecklande neuroner håller ihop. Den här videon visar exakt hur dessa celler fäster vid varandra, avslöjar schweizisk ostliknande länkar som hjälper unga neuroner att migrera till sina sista platser i nervsystemet. Lila och gröna superupplösta fluorescensbilder av adhesionsproteiner vid dessa länkar korrelerar med elektronmikroskopibilder (orange) som visar membranets struktur i detalj.

3. Endosomer

Celler är fyllda med små vesiklar ¬¬- membranbundna säckar som hjälper celler att lagra proteiner, bryta ner cellavfall, och frakta last. Dessa många varianter av vesiklar går inte att särskilja från varandra endast under ett elektronmikroskop. Men med cryo-SR/EM, deras distinkta drag blir tydliga. Det här klippet zoomar in på endosomer, som transporterar last till olika regioner i cellen.