Vi har alla hört, och sett, hur en bild målar tusen ord. Nu, i en vetenskaplig twist på det ordspråket, forskare vid Florida State University med huvudkontor i National High Magnetic Field Laboratory (National MagLab), skapar bilder som målar tusentals molekyler.

Med ett unikt kraftfullt instrument, forskarna har förfinat en teknik som kallas masspektrometriavbildning (MSI) som översätter en mängd data till detaljerade bilder av molekylära sammansättningar av biologiska prover. Deras arbete, publicerad denna vecka i Analytisk kemi , har bilder med massupplösning så höga att varje färg i bilden representerar en distinkt sorts molekyl.

MSI är inte nytt. I åratal, forskare har använt tekniken för att omvandla masspektrometrianalyser av ett provs kemiska sammansättning till rumsliga representationer som visar vilka molekyler som förekommer var.

Vad är annorlunda nu, förklarade National MagLab -kemisten Don Smith, motsvarande författare till studien, är bredden och djupet av de data som genereras med laboratoriets världsrekord 21-teslajoncyklotronresonans (ICR) masspektrometer, kallade "21-T" för kort. Tesla är en enhet för magnetfältstyrka; en kylmagnet har ett fält på cirka 0,01 tesla och en typisk sjukhus -MR -magnet har ett fält på 2 eller 3 teslas.

21-T gör att masspektrometribilder kan bli ultrahögupplösta, med många fler pixlar som bildar bilden.

"Jag tycker att det här är mest information per pixel - hur mycket kemisk information vi kan få från varje pixel under en viss tid, "Smith sa." Vi observerar nya molekyler som aldrig har observerats, har aldrig massupplösts i vävnad tidigare. "

Förra året, Smith samarbetade med Ron Heeren från Maastricht MultiModal Molecular Imaging Institute vid Maastricht University i Nederländerna. Med deras lag, forskarna körde en månads försök i 21-T, undersöker hjärnvävnad från friska råttor. I varje 24-timmars experiment, de fokuserade på specifika biomolekyler. I de två uppsättningar undersökta för Analytisk kemi artikel, laget letade efter vissa lipider, en klass av biomolekyler som utför kritiska funktioner i kroppen, inklusive i cellmembran.

Masspektrometrar är tjusiga molekylskalor som använder en stark magnet för att identifiera varje molekyl i ett ämne med sin unika massa. Molekylerna måste först ges en positiv eller negativ laddning (joniserad) så att magneten kan upptäcka dem. Teamet använde en teknik som kallas matrisassisterad laser-desorptionsjonisering (eller MALDI), användes för första gången på 21-T för detta projekt med ett specialinstrument som skickades från Maastricht till Tallahassee. Med denna inställning, de kunde metodiskt förånga, jonisera och mäta ett hårs bredd av vävnad åt gången, var och en innehåller tusentals molekyler. På det här sättet, bit för bit, de samlade mätningar som specialprogramvara konverterade till en MR-liknande karta över molekylernas rumsliga fördelning.

"Det fungerade direkt, "sa Smith om experimenten." Det var en mycket trevlig överraskning. "

21-T, förvärvat av National MagLab 2014 med finansiering från National Science Foundation's Division of Chemistry, visat sig vara en otroligt känslig skala. Smith noterade att forskare kunde separera två molekyler med en skillnad i molekylvikt på cirka tre elektroner - cirka 0,00179 dalton (enheten för molekylmassa) eller bara en liten bråkdel av en vattenmolekyls vikt.

"Detta är anledningen till att vi kommer till MagLab, "Heeren sa, "att skjuta av bildgränser och se molekylära detaljer som annars skulle förbli dolda."

21-T har visat sig vara ett anmärkningsvärt mångsidigt instrument, sa Chris Hendrickson, chef för laboratoriets ICR-anläggning och en medförfattare på pappret.

"De experiment som det har möjliggjort har spridit spektrumet från medicinsk biologi till nya miljöföroreningar, " han sa.

Smith sa att denna teknik kan bli ett kraftfullt verktyg för hälsoforskning. För närvarande används 21-T rutinmässigt för att undersöka den molekylära sammansättningen av, bland andra typer av prover, komplexa proteiner. Framtida MALDI -experiment kan avslöja inte bara vilka molekyler som finns där, men exakt var i ett vävnadsprov var och en befinner sig.

Cancerforskare kan använda tekniken för att undersöka, på molekylär nivå, exakt var och hur ett läkemedel passerar genom sjuk vävnad; en annan forskare kan studera hur en organism reagerar på exponering för en förorening. Forskare kan till och med kunna jämföra exempel på samma cell med varandra för att upptäcka subtila molekylära skillnader.

När det gäller Smith, han och hans team har sitt arbete avskuren för dem, med mycket data som väntar på analys.

"Vi testade i princip lite av allt, "sa Smith om förra årets experiment.

Det är två datauppsättningar, 26 kvar.

Förutom Smith, Heeren och Hendrickson, bidragsgivare till artikeln inkluderade Andrew Bowman (första författare) och Shane Ellis från Maastricht University och National MagLab -forskaren Greg Blakney. MALDI -instrumenten som användes för experimenten gjordes tillgänglig med stöd från den nederländska provinsen Limburg.