Framsteg inom cellbiologi, materialvetenskap och bildbehandling kombineras för att skapa verktyg som gör det möjligt för forskare att spåra i realtid och i superfin upplösning vad som händer inuti en enda cell.

Att kunna visualisera cellulära processer när de inträffar ses som en kritisk del att förstå vilka förändringar som uppstår när sjukdomen slår till och hur den processen kan förhindras, omvänd eller på annat sätt botad.

Under många decennier har forskare har förlitat sig på att använda färgmolekyler som absorberas i celler för att visualisera deras beteende.

Dessa färgmolekyler, ursprungligen anpassad från de färgämnen som används i textilindustrin, har genomgått utveckling och förbättring, men deras grundläggande principer och egenskaper förblir i stort sett desamma.

En stor nackdel är dimning eller blekning av färgämnena när de utsätts för högintensitetsljuset för avbildning. Forskare har bara ett litet tidsfönster för att avbilda cellen, skapa en ögonblicksbild av mobilhändelser snarare än pågående, spårning i realtid.

Under tiden, molekylär avbildning och mikroskopi har avancerat till den punkt där superfin upplösning och realtidsavbildning är möjlig, inte bara på en helcellsnivå, men inom en cell och dess olika komponenter.

Detta inspirerar mikrobiologer att samarbeta med materialingenjörer för att utveckla nya självlysande biomaterial som, som en flygplansfyr, låta forskare spåra och visualisera cellulära processer utan att påverka den levande cellen negativt.

I ett papper publicerat idag i tidningen Naturmetoder , forskare från University of Technology Sydney (UTS) och University of Wollongong (UOW), tillsammans med kollegor från Peking University, Kina, och universitetet i Göttingen, Tyskland, har beskrivit hur ljusemitterande sonder kan appliceras av livforskare vid visualisering av cellulära processer.

Huvudförfattaren Distinguished Professor Dayong Jin från UTS sa att materialforskare har gjort enorma framsteg i utvecklingen av nya strukturer som är extremt små - jämförbara med storleken på en proteinmolekyl - som avger ljus med större ljusstyrka och precision än klassiska färgmolekyler.

"Vi kan ta nanomaterial, såsom ljusemitterande plast eller keramiska partiklar, och leverera dem till webbplatsen i fråga. Olika andra tekniker hjälper partikeln att passera genom cellväggen och vi kan visualisera vad som händer inne i molekylära maskineriet.

"Vi har noterat framsteg som förmågan att mäta förändringarna i transporten inom en neuron till följd av hjärnsjukdom, "Professor Jin sa." Dessa avancerade partiklar gör det också möjligt att använda olika färger och pulssignaler samtidigt så att vi faktiskt kan visuellt streckkoda gener eller proteiner för att se hur dessa översätts och transkriberas - livets själva kodning.

"Det här är en spännande tid för cellbiologi och materialvetenskapliga samhällen som nu har en oöverträffad möjlighet att utforska mobilbildning med aldrig tidigare skådad noggrannhet och upplösning.

Medförfattare Distinguished Professor Antoine van Oijen, som leder UOW:s Molecular Horizons -initiativ, sade artikeln belyst hur det skulle vara kritiskt att föra samman materialvetenskapsgemenskapen med forskare från livsvetenskaperna för att belysa de invecklade detaljerna om hur livet fungerar.

"Förståelse för sjukdomsprocesser, och därmed utveckling av botemedel, bygger på att vi förstår cellulära processer:hur gör de olika biomolekylerna i våra celler sitt jobb? Vad händer när de slutar göra sina jobb ordentligt och sjukdomen slår till?

"Just nu, forskare och läkare är mycket oroliga för antimikrobiell resistens, vilket kan göra vissa droger värdelösa och i värsta fall, se återuppkomsten av sjukdomar som inte har stört samhället på decennier.

"Vi är nu på en punkt där forskare behöver utveckla och producera nya antibiotika, och läkare måste använda dem klokt. Att förstå processerna för hur läkemedel fungerar på molekylär nivå är nyckeln till att utveckla dessa nya läkemedel. "

Dessa metoder och forskningssamarbeten som ligger till grund för dem kommer att vara ett nyckelfokus för Molecular Horizons, en forskningsanläggning på 80 miljoner dollar som för närvarande är under uppbyggnad vid UOW:s campus Wollongong. Det kommer att ge forskare tillgång till nya verktyg för visualisering av biologiska processer som hjälper till att låsa upp cellens innersta hemligheter och utveckla nya sätt att upptäcka och attackera sjukdomar.