(PhysOrg.com) - Forskare upptäcker att förmågan att se mycket små saker - objekt 20, 000 gånger tunnare än ett människohår - kan hjälpa till att svara på stora biologiska frågor. Det är därför Jennifer Ross, en fysiker vid University of Massachusetts Amherst, bygger ett nytt mikroskop som uppnår superupplösning, tillåter forskare att se molekyler 100 gånger mindre än vad som är synligt med traditionell ljusmikroskopi.

Forskare upptäcker att förmågan att se mycket små saker - objekt 20, 000 gånger tunnare än ett människohår - kan hjälpa till att svara på stora biologiska frågor. Det är därför Jennifer Ross, en fysiker vid University of Massachusetts Amherst, bygger ett nytt mikroskop som uppnår superupplösning, tillåter forskare att se molekyler 100 gånger mindre än vad som är synligt med traditionell ljusmikroskopi.

Ross är särskilt intresserad av att använda mikroskopet för att bestämma hur ett specialiserat protein som kallas tubulin styr celldelningen. Hon och Patricia Wadsworth, en UMass Amherst -biolog, tilldelades nyligen $ 684, 000 bidrag från National Institutes of Health genom American Recovery and Reinvestment Act för att utveckla ett mikroskop som innehåller två banbrytande fluorescenstekniker som ger forskare möjlighet att observera och spåra enskilda proteinmolekyler. UMass Amherst är det andra universitetet i landet som använder ett av dessa, kallas Stokastisk optisk rekonstruktionsmikroskopi (STORM).

Det nya mikroskopet, som ska byggas under nästa år, kommer att tillåta mycket större precision vid identifiering av objekt - som vissa cellulära proteiner - genom att låta forskare se dem individuellt och titta på deras rörelser i realtid. Ross säger att detta kommer att hjälpa nästan alla vetenskapliga discipliner att svara på viktiga frågor från hur neuroner kommunicerar med varandra i hjärnan som är de mest effektiva gröna energikällorna.

Särskilda fluorescerande taggar som används med det nya mikroskopet gör att hon kan se enskilda molekyler som styr celldelning - arbetar i realtid, i levande celler. Att se enskilda tubuliner i sin normala miljö borde ge henne bättre inblick i hur processer de kontrollerar kan gå snett. Detta kan bidra till forskarnas förståelse för hur okontrollerad celltillväxt kan leda till cancer.

Tills nu, observera enskilda proteiner har inneburit isolering av dessa proteiner från cellerna i vilka de verkar. Men att observera en enda molekyl plockad ur sin naturliga miljö innebär att normala interaktioner och beteenden går förlorade. ”Det är inte så cellen egentligen är, Säger Ross.

Den första generationen av fluorescensproteiner (som nyligen fick upptäckare ett Nobelpris) hjälpte till att lösa detta problem genom att låta forskare en viss förmåga att se markerade proteiner interagera i realtid inuti celler. Men när många molekyler är fluorescerande märkta inuti en cell, mängden ljus de avger hindrar observatörer från att se vad enskilda proteiner gör eftersom de alla fluorescerar på en gång, skapar en bländning. Att märka alla liknande proteiner i en cell ger en bild som är för suddig för att ge användbar data.

Den nya märkningstekniken som används med mikroskopet löser detta problem genom att lägga till en "ljusbrytare" som gör att forskaren kan styra den fluorescerande markören. Istället för att vara på hela tiden, fluorescerande taggar kan väljas individuellt för att slå på med små mängder lila ljus, så att varje protein kan ses individuellt. Som fysikern förklarar, när endast en liten mängd ljus används, den fungerar som en partikel snarare än en våg och exciterar endast en fluorescensmärkt molekyl åt gången.

Ytterligare, fluorescens från dessa proteiner varar bara några sekunder och blir sedan mörk. Ytterligare en liten uppsättning proteiner kan slås på med mer lila ljus. Används på detta sätt, Den nya, mer exakt mikroskop kan sedan skapa en karta över de enskilda proteinerna, som fångas på en högupplöst kamera.

Det nya mikroskopet löser också ett annat stort problem i samband med den första generationen ljusmikroskop:Bilderna är så suddiga att molekyler ofta verkar vara 50 gånger deras verkliga storlek. Detta beror på den stora mängd fluorescens som varje märkt protein avger - forskare kan inte skilja mellan det verkliga objektet och den flummiga ljusfläcken som omger det. Effekten på utredare är ungefär som att be om vägbeskrivning till ett visst kontor och bara få veta vilken byggnad det är i, Ross förklarar - utan en exakt plats, svaret är inte till hjälp.

De nya fluorescensteknikerna drar fördel av det faktum att det starkaste ljuset som släpps ut från föremålen kommer från deras centrum. Ross och kollegor utvecklade en matematisk formel som kan passa formen på en enda molekyls ljusintensitetsmönster. Detta gör att en dator kan lokalisera proteinets centrum inom 20 miljarder av en meter istället för 200, att få objektet att se mycket mer ut som verklig storlek.

Ross sammanfattar att både fluorescensfotoaktiverad och lokaliseringsmikroskopi (FPALM) och STORM -tekniker som hon och kollegor gör för att göra det möjligt för forskare att se enskilda molekyler genom att spänna de fluorescerande taggarna med en liten mängd ljus. STORM använder lite olika färgämnen som kan "tunas" för att märka specifika molekyler. Genom att märka olika proteiner med olika fluorescerande taggar, forskare kan också observera dynamiken hos flera proteiner samtidigt, inte möjligt i första generationens fluorescensmikroskopi.