När städer förvandlas till en färgstark värld av ljus när mörkret faller, är det ofta bara möjligt att uppskatta deras konturer, vilket beroende på perspektiv kan dra uppmärksamheten till viktiga detaljer eller trivia. I fluorescensmikroskopi är biologiska celler märkta med fluorescerande färgämnen och exciteras till att luminescera i specifika områden med optiska omkopplare - som en stad på natten. Men detta ljus är vanligtvis för svagt för små, snabba föremål, eller slocknar till och med efter ett tag. Detta är känt som "fluorescensblekning".

Nu har ett nytt tillvägagångssätt utvecklat av Prof. Dr. Alexander Rohrbach och hans team i Laboratory for Bio- och Nano-Photonics vid University of Freiburg hittat ett sätt att göra de minsta föremålen tydligt synliga utan fluorescens. På så sätt kan cellulära strukturer eller virusstora partiklar observeras 100 till 1 000 gånger längre, tio till 100 gånger snabbare och med nästan fördubblad upplösning än med fluorescensmikroskopi. Medan fluorescensmikroskopi registrerar vad man kan kalla "nattbilder" av strukturer, tar ROCS-mikroskopi "dagtidsbilder" - motsatser som kan komplettera varandra utmärkt. Rohrbach och hans kollegor beskriver olika tillämpningar av tekniken i det senaste numret av Nature Communications .

Blå laserriktad belyser föremål i sned vinkel

Tekniken de använder är känd som "Rotating Coherent Scattering" (ROCS) och använder en snabbt roterande blå laserstråle. "Vi utnyttjar flera fysiska fenomen som är bekanta från vardagen", förklarar Rohrbach, "För det första sprider små föremål som molekyler, virus eller cellstrukturer - eller distribuerar - blått ljus mest, vilket är känt från luftmolekylerna i atmosfären och det vi uppfattar som blå himmel." Små föremål sprider och riktar ungefär tio gånger mer blått ljus än rött ljus till kameran och överför därmed värdefull information.

För det andra riktar ROCS en blå laser i en mycket sned vinkel på de biologiska objekten, eftersom detta markant ökar kontrasten och upplösningen. Detta är också bekant för oss:om du håller ett vinglas i vinkel mot ljuset är det mycket lättare att upptäcka smuts eller fingeravtryck. För det tredje belyser forskarna objektet successivt från varje riktning med den sneda laserstrålen, eftersom belysning från endast en riktning skulle producera många artefakter.

100 bilder per sekund av levande celler

Freiburg-fysikern och ingenjörer från Institutionen för mikrosystemteknik (IMTEK) roterar den sneda laserstrålen hundra gånger per sekund runt objektet och producerar därigenom 100 bilder per sekund. "Så på tio minuter har vi redan 60 000 bilder av levande celler, som visar sig vara mycket mer dynamiska än man tidigare trott", säger Rohrbach. Dynamiska analyser som denna kräver enorm datorkraft för att bearbeta bara en minuts visuellt material. Därför måste en mängd olika datoralgoritmer och analytiska processer först utvecklas så att data kunde tolkas korrekt.

Tillsammans med sin kollega Dr. Felix Jünger och i samarbete med olika forskargrupper i Freiburg kunde Rohrbach demonstrera mikroskopets kapacitet med hjälp av olika cellsystem:"Vårt primära mål var inte att skapa vackra bilder eller filmer av den oväntat högdynamiska av celler – vi ville få nya biologiska insikter." Till exempel gjorde ROCS-tekniken det möjligt för dem att observera hur mastceller öppnar små porer på bara några millisekunder när de stimuleras, för att skjuta ut sfäriska granuler med en oförklarligt hög kraft och hastighet. Granulatet innehåller sändaren histamin, vilket i efterhand kan leda till allergiska reaktioner.

Observera bindningsbeteendet hos virusstora partiklar

I en annan serie experiment kunde forskarna observera hur små virusstora partiklar dansar i otrolig hastighet runt den robusta ytan av asätareceller, vilket tar flera försök att hitta en bindningspunkt på cellen. Dessa observationer fungerade som förtester för aktuella studier om bindningsbeteendet hos koronavirus.

Dessutom har ROCS-teknologin använts inom det samarbetsforskningskluster CRC 1425 om bildandet av ärr i hjärtskador. Fibroblaster, det vill säga ärrvävnadsceller, bildar 100 nanometer tunna rör, så kallade nano-rör, som är 1 000 gånger tunnare än ett hårstrå. Med denna nya teknik kunde Jünger och Rohrbach upptäcka att dessa rör vibrerar termiskt på en millisekundersskala, men denna rörelse avtar med tiden. Enligt matematiska analyser av aktivitet tyder detta på en mekanisk förstyvning av nanorören.

I andra experiment kunde forskarna äntligen observera över tusentals bilder hur filopodia - "fingrarna" hos asätareceller - söker sin miljö efter byte med hjälp av en komplex vibrerande rörelse och hur filopodia kan förändra deras cytoskelett med tidigare okända hastigheter. + Utforska vidare

Forskare utvecklar koncept för feedback-kontrollerad optisk pincett