"Molekyler interagerar alltid med sin omgivning. Det har varit en kamp för vilken teknik som helst att förstå den interaktionen", säger Matthew Lew, biträdande professor vid McKelvey School of Engineering. Den kampen kan bli lite lättare tack vare den senaste forskningen från hans labb, som öppnar upp en ny värld av dynamisk bildbehandling. Kredit:Oumeng Zhang
Forskning från Matthew Lews labb vid Washington University i St. Louis erbjuder helt nya sätt att se det mycket små.
Forskningen – två artiklar av Ph.D. studenter vid McKelvey School of Engineering – publicerades i tidskrifterna Optica och Nanobokstäver .
De har utvecklat ny hårdvara och algoritmer som tillåter dem att visualisera byggstenarna i den biologiska världen bortom tre dimensioner på ett sätt som hittills inte varit genomförbart. När allt kommer omkring är celler 3D-objekt och fulla av "grejer" – molekyler – som rör sig runt, roterar, snurrar och tumlar för att driva livet självt.
Liksom traditionella mikroskop, verk av två Ph.D. studenter i Lew-labbet, Tingting Wu och Oumeng Zhang, använder ljus för att titta in i den mikroskopiska världen – men deras innovationer är allt annat än traditionella. För närvarande, när människor använder ljus i bildbehandling, är de troligen intresserade av hur starkt ljuset är eller vilken färg det har. Men ljus har andra egenskaper, inklusive polarisering.
"Oumengs arbete vrider ljusets polarisering", säger Lew, biträdande professor vid Preston M. Green Department of Electrical &Systems Engineering. "På detta sätt kan du både se hur saker översätts (rör sig i raka linjer) och roterar samtidigt" – något traditionell bildbehandling inte gör.
"Utvecklingen av ny teknik och förmågan att se saker vi tidigare inte kunde se är spännande," sa Zhang. Denna unika förmåga att spåra både rotation och position på samma gång ger honom unika insikter i hur biologiska material – till exempel mänskliga celler och patogener – interagerar.
Wus forskning ger också ett nytt sätt att avbilda cellmembran och på sätt och vis se insidan av dem. Med hjälp av fluorescerande spårmolekyler kartlägger hon hur spårämnena interagerar med fett- och kolesterolmolekyler i membranet och bestämmer hur lipiderna är ordnade och organiserade.
"Varje cellmembran, vilken kärna som helst, vad som helst i cellen är en 3D-struktur", sa hon. "Detta hjälper oss att undersöka hela bilden av ett biologiskt system. Detta gör att vi, för alla biologiska prover, kan se bortom tre dimensioner – vi ser 3D-strukturen plus tre dimensioner av molekylär orientering, vilket ger oss 6D-bilder."
Forskarna utvecklade beräkningsteknik, som samverkar mjukvara och hårdvara för att framgångsrikt se det tidigare osynliga.
"Det är en del av innovationen," sa Lew. "Traditionellt har biologiska avbildningslaboratorier varit bundna till vad kommersiella tillverkare än tillverkar. Men om vi konstruerar saker annorlunda kan vi göra så mycket mer." + Utforska vidare
