Området för optisk mikroskopiforskning har utvecklats snabbt de senaste åren. Tack vare uppfinningen av en teknik som kallas superupplösningsfluorescensmikroskopi, det har nyligen blivit möjligt att se även de mindre delarna av en levande cell. Nu, genom att göra en smart förfining av den tekniken, forskare vid TU Delft har flyttat sina gränser ytterligare. Där tidigare objekt som mätte upp till 10-20 nanometer kunde observeras, deras metod gör det möjligt att fokusera på strukturer på så små som 3 nanometer i diameter.

Delfts tyghandlare och vetenskapsman Antoni van Leeuwenhoeks hemgjorda mikroskop hade en upplösning på mindre än en mikrometer, vilket gjorde det möjligt för honom att observera strukturer som bakterier och spermier. Men även på 1600-talet, Van Leeuwenhoek närmade sig redan den så kallade "diffraktionsgränsen", en teoretisk gräns bortom vilken två angränsande punkter inte kan särskiljas i ett optiskt mikroskop. Denna gräns bestäms delvis av våglängden på ljuset som används. Enligt teorin, den maximala storleken på objektet som du kan avbilda med ett konventionellt mikroskop är hälften av den våglängden. Allt mindre är omöjligt att få i skarpt fokus.

Diffraktionsgränsen ansågs länge vara en hård gräns, bestäms av naturlagarna. Men genom att använda smarta knep, fysiker lyckades så småningom korsa den. För inte så länge sedan, under 2014, Nobelpriset i kemi tilldelades de tre forskare som uppfann lösningen, känd som "superupplösningsfluorescensmikroskopi". I denna teknik, vissa proteiner eller molekyler görs fluorescerande genom genetisk modifiering. Den svaga ljussignalen de avger kan sedan fångas upp med hjälp av ett optiskt mikroskop. "I praktiken, fastän, säger forskaren Bernd Rieger, "Problemet med att göra proteiner fluorescerande är att man inte kan märka alla de av en viss typ. Bara 30-50 procent av dem, som mest. När du sedan börjar mäta, du ser bara ett antal individuella ljuspunkter, inte hela strukturen du försöker se."

För att lösa problemet, Delft-forskarna har utarbetat en anpassning till superupplösningsmikroskopi. Detta är jämförbart med vad som inom fotografering kallas "kompositering":att stapla flera bilder för att skapa en enda sammansatt bild. "Att genomsnitt av informationen från olika mätningar gjordes redan i elektronmikroskopi, " förklarar forskaren Sjoerd Stallinga. "Men det är en helt annan teknik. Det tog vår doktorand Hamidreza Heydarian två år att konvertera tekniken för användning i optisk mikroskopi."

Ett problem var att kombinera hundratals, om inte tusentals, av "snapshots" kräver enorma mängder processorkraft. Med en vanlig dator, det tog flera dagar att konstruera en tydlig bild från all data. "Lyckligtvis, säger Rieger, "Tack vare datorspelsindustrin, vi har tillgång till grafikkort som kan beräkna extremt bra parallellt." En programmerare från Netherlands eScience Center i Amsterdam gick med i projektet och konverterade en befintlig algoritm för vanliga datorer till en som forskarna kunde köra på ett sådant grafikkort. Som ett resultat , mätningarna kan nu kombineras till en enda bild inom några timmar.

Denna forskning minskar klyftan mellan elektron- och optisk mikroskopi, vilket är viktigt eftersom de två teknikerna ger olika resultat och därför kompletterar varandra, men är fortfarande långt ifrån varandra när det gäller sina möjligheter. "De bästa elektronmikroskopen är 30 till 50 gånger kraftfullare än de bästa optiska, "Att föra de två världarna närmare varandra kan leda till nya biologiska insikter", säger Stallinga.

Enligt forskarna, deras teknik – som redan uppnår upplösningar på tre nanometernivå – borde så småningom göra det möjligt att se strukturer som bara mäter en nanometer. Under den tröskeln, dimensionerna på de fluorescerande etiketterna blir en begränsande faktor.

Resultaten har publicerats i tidskriften Naturmetoder .