MAGNIFIERS fångade nysyntetiserade Huntingtin-aggregat (i rött) med upplösning i nanoskala i Huntingtons sjukdomsmodell. Kredit:Carnegie Mellon University
Ett forskarlag från Carnegie Mellon University och Columbia har kombinerat två framväxande bildtekniker för att bättre se ett brett utbud av biomolekyler, inklusive proteiner, lipider och DNA, i nanoskala. Deras teknik, som kombinerar expansionsmikroskopi och stimulerad Raman-spridningsmikroskopi, beskrivs i Advanced Science .
Biomolekyler avbildas traditionellt med fluorescerande mikroskopi, men den tekniken har sina begränsningar. Fluorescerande mikroskopi förlitar sig på fluorofor-bärande taggar för att binda till och märka molekyler av intresse. Dessa taggar avger fluorescerande ljus med ett brett spektrum av våglängder; sålunda kan forskare bara använda 3-4 fluorescerande färger i det synliga spektrumet åt gången för att märka molekyler av intresse.
Till skillnad från fluorescerande mikroskopi, visualiserar stimulerad Raman-spridningsmikroskopi (SRS) de kemiska bindningarna av biomolekyler genom att fånga deras vibrationsfingeravtryck. I denna mening behöver SRS inte etiketter för att se de olika typerna av biomolekyler, eller ens olika isotoper, i ett prov. Dessutom kan en regnbåge av färgämnen med unika vibrationsspektra användas för att avbilda flera mål. SRS har dock en diffraktionsgräns på cirka 300 nanometer, vilket gör att den inte kan visualisera många av de avgörande nanoskalastrukturerna som finns i celler och vävnader.
"Varje typ av molekyl har sitt eget vibrationsfingeravtryck. SRS tillåter oss att se vilken typ av molekyl vi vill ha genom att ställa in den karakteristiska frekvensen av dess vibrationer. Något som att växla mellan radiostationerna", säger Carnegie Mellon Eberly Family Associate Professor of Biologiska vetenskaper Yongxin (Leon) Zhao.
Zhaos labb har utvecklat nya avbildningsverktyg baserade på expansionsmikroskopi - en teknik som tar itu med problemet med diffraktionsgränser inom ett brett spektrum av biologisk avbildning. Expansionsmikroskopi tar biologiska prover och omvandlar dem till vattenlösliga hydrogeler. Hydrogelerna kan sedan behandlas och fås att expandera till mer än 100 gånger sin ursprungliga volym. De expanderade proverna kan sedan avbildas med hjälp av standardtekniker.
"Precis som SRS kunde övervinna begränsningarna av fluorescensmikroskopi, övervinner expansionsmikroskopi begränsningarna för SRS," sade Zhao.
Forskarna från Carnegie Mellon och Columbia kombinerade SRS och expansionsmikroskopi för att skapa Molecule Anchorable Gel-enabled Nanoscale Imaging of Fluorescence och stimulerad Raman-spridningsmikroskopi (MAGNIFIERS). Zhaos expansionsmikroskopiteknik kunde expandera prover upp till 7,2 gånger, vilket gjorde att de kunde använda SRS för att avbilda mindre molekyler och strukturer än de skulle kunna göra utan expansion.
I den nyligen publicerade studien visade forskargruppen att MAGNIFIERS kunde användas för högupplöst metabolisk avbildning av proteinaggregat, som de som skapas under tillstånd som Huntingtons sjukdom. De visade också att MAGNIFIERS kunde kartlägga platsen i nanoskala för åtta olika markörer i hjärnvävnad samtidigt.
Forskarna planerar att fortsätta utveckla MAGNIFIERS-tekniken för att uppnå högre upplösning och högre genomströmning för att förstå patologin hos komplexa sjukdomar, såsom cancer och hjärnsjukdomar.
Ytterligare studiemedförfattare inkluderar:Alexsandra Klimas, Brendan Gallagher, Zhangu Cheng, Feifei Fu, Piyumi Wijesekara och Xi Ren från Carnegie Mellon; och Yupeng Miao, Lixue Shi och Wei Min från Columbia. + Utforska vidare
