Forskare vid National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)-ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility vid DOE:s Brookhaven National Laboratory-har använt ultralätta röntgenstrålar för att avbilda enstaka bakterier med högre rumsupplösning än någonsin tidigare . Deras arbete, publicerad i Vetenskapliga rapporter , visar en röntgenbildteknik, kallas röntgenfluorescensmikroskopi (XRF), som ett effektivt tillvägagångssätt för att producera 3-D-bilder av små biologiska prover.

"För första gången, vi använde nanoskala XRF för att avbilda bakterier ner till upplösningen av ett cellmembran, sa Lisa Miller, en forskare vid NSLS-II och en medförfattare till artikeln. "Avbilda celler på nivån av membranet är avgörande för att förstå cellens roll i olika sjukdomar och utveckla avancerade medicinska behandlingar."

Den rekordupplösta upplösningen av röntgenbilderna möjliggjordes av de avancerade funktionerna i hårddisken Nanoprobe (HXN) beamline, en experimentstation vid NSLS-II med ny nanofokuseringsoptik och exceptionell stabilitet.

"HXN är den första XRF-strållinjen som genererar en 3D-bild med denna typ av upplösning, sa Miller.

Medan andra bildtekniker, såsom elektronmikroskopi, kan avbilda strukturen av ett cellmembran med mycket hög upplösning, dessa tekniker kan inte ge kemisk information om cellen. På HXN, forskarna kunde producera 3D kemiska kartor över sina prover, identifiera var spårämnen finns i hela cellen.

"På HXN, vi tar en bild av ett prov i en vinkel, rotera provet till nästa vinkel, ta en bild till, och så vidare, "sa Tiffany Victor, huvudförfattare till studien och en forskare vid NSLS-II. "Varje bild visar provets kemiska profil vid den orienteringen. Sedan, vi kan slå ihop dessa profiler för att skapa en 3D-bild. "

Miller tillade, "Att få en XRF 3D-bild är som att jämföra en vanlig röntgen som du kan få på läkarmottagningen med en CT-skanning."

Bilderna som producerades av HXN avslöjade att två spårämnen, kalcium och zink, hade unika rumsfördelningar i bakteriecellen.

"Vi tror att zink är associerat med ribosomerna i bakterierna, "Sa Victor." Bakterier har inte många cellulära organeller, till skillnad från en eukaryotisk (komplex) cell som har mitokondrier, en kärna, och många andra organeller. Så, det är inte det mest spännande exemplet att bilda, men det är ett trevligt modellsystem som demonstrerar bildtekniken utmärkt."

Yong Chu, vem är den ledande strållinjeforskaren vid HXN, säger att avbildningstekniken också kan tillämpas på många andra forskningsområden.

"Denna 3D-kemiska avbildnings- eller fluorescensnanotomografiteknik vinner popularitet inom andra vetenskapliga områden, " sa Chu. "Till exempel, vi kan visualisera hur den inre strukturen i ett batteri förändras medan det laddas och laddas ur. "

Förutom att bryta de tekniska barriärerna för röntgenbildupplösning med denna teknik, forskarna utvecklade en ny metod för att avbilda bakterierna vid rumstemperatur under röntgenmätningarna.

"Helst, XRF-avbildning bör utföras på frysta biologiska prover som är kryokonserverade för att förhindra strålskador och för att få en mer fysiologiskt relevant förståelse av cellulära processer, "Sa Victor." På grund av rymdbegränsningarna i HXN:s provkammare, vi kunde inte studera provet med hjälp av ett kryostage. Istället, vi inbäddade cellerna i små natriumkloridkristaller och avbildade cellerna vid rumstemperatur. Natriumkloridkristallerna bibehöll cellens stavliknande form, och de gjorde cellerna lättare att lokalisera, minska körtiden för våra experiment. "

Forskarna säger att demonstrera effektiviteten av röntgentekniken, liksom provberedningsmetoden, var det första steget i ett större projekt för att avbilda spårämnen i andra biologiska celler i nanoskala. Teamet är särskilt intresserat av koppars roll i neurondöd vid Alzheimers sjukdom.

"Spårelement som järn, koppar, och zink är viktiga näringsämnen, men de kan också spela en roll vid sjukdom, "Miller sa." Vi försöker förstå den subcellulära placeringen och funktionen av metallinnehållande proteiner i sjukdomsprocessen för att hjälpa till att utveckla effektiva terapier. "