(PhysOrg.com) -- Genom att använda den nya tekniken, forskare kunde identifiera 3D-morfologin och strukturen hos cellulära organeller, inklusive cellväggen, vakuol, endoplasmatiska retiklet, mitrokondrier, granulat och nukleolus.
Tredimensionell avbildning utökar dramatiskt forskarnas förmåga att undersöka biologiska prover, möjliggör en titt in i deras inre strukturer. Och de senaste framstegen inom röntgendiffraktionsmetoder har hjälpt till att utöka gränsen för detta tillvägagångssätt.
Även om betydande framsteg har gjorts inom optisk mikroskopi för att bryta diffraktionsbarriären, sådana tekniker är beroende av fluorescerande märkningstekniker, som förbjuder kvantitativ 3D-avbildning av hela innehållet i celler. Kryoelektronmikroskopi kan avbilda strukturer med en upplösning på 3 till 5 nanometer, men detta fungerar bara med tunna eller sektionerade exemplar.
Och även om röntgenproteinkristallografi för närvarande är den primära metoden som används för att bestämma 3D-strukturen hos proteinmolekyler, många biologiska prover - såsom hela celler, cellulära organeller, vissa virus och många viktiga proteinmolekyler — är svåra eller omöjliga att kristallisera, göra deras strukturer otillgängliga. Att övervinna dessa begränsningar kräver användning av olika tekniker.
Nu, i en tidning som publicerades idag i Proceedings of the National Academy of Sciences , UCLA-forskare och deras medarbetare demonstrerar användningen av ett unikt röntgendiffraktionsmikroskop som gjorde det möjligt för dem att avslöja den inre strukturen hos jästsporer. Teamet rapporterar den kvantitativa 3D-avbildningen av en helhet, ofärgade celler med en upplösning på 50 till 60 nanometer med röntgendiffraktionsmikroskopi, även känd som linslös bildbehandling.
Forskare identifierade 3D-morfologin och strukturen hos cellulära organeller, inklusive cellväggen, vakuol, endoplasmatiska retiklet, mitrokondrier, granulat och nukleolus. Arbetet kan öppna en dörr för att identifiera de enskilda proteinmolekylerna inuti hela celler med hjälp av märkningstekniker.
Huvudförfattarna på tidningen är Huaidong Jiang, en UCLA-assistentforskare i fysik och astronomi, och John Miao, en UCLA-professor i fysik och astronomi. Arbetet är en kulmen på ett samarbete som startade för tre år sedan med Fuyu Tamanoi, UCLA professor i mikrobiologi, immunologi och molekylär genetik. Miao och Tamanoi är båda forskare vid UCLA:s California NanoSystems Institute. Andra samarbetspartners inkluderar team på Riken Spring 8 i Japan och Institute of Physics, Academia Sinica, I Taiwan.
"Det här är första gången som människor har kunnat kika in i den 3-D inre strukturen av ett biologiskt prov, utan att skära den i sektioner, med hjälp av röntgendiffraktionsmikroskopi, " sa Miao.
"Genom att undvika användning av röntgenlinser, upplösningen av röntgendiffraktionsmikroskopi begränsas i slutändan av strålningsskador på biologiska prover. Genom att använda kryogen teknik, 3D-avbildning av hela biologiska celler med en upplösning på 5 till 10 nanometer bör vara möjlig, "Miao sa. "Vårt arbete banar därför en väg för kvantitativ 3-D-avbildning av ett brett spektrum av biologiska prover vid upplösningar i nanometerskala som är för tjocka för elektronmikroskopi."
Tamanoi förberedde jästsporeproverna som analyserades i denna studie. Sporer är specialiserade celler som bildas när de placeras under näringssvälta förhållanden. Celler använder denna överlevnadsstrategi för att klara av svåra förhållanden.
"Biologer ville undersöka inre strukturer av sporen, men tidigare mikroskopiska studier gav information om endast ytegenskaperna. Vi är mycket glada över att kunna se sporen i 3D", sa Tamanoi. "Vi kan nu titta på strukturen hos andra sporer, som mjältbrandsporer och många andra svampsporer. Det är också viktigt att påpeka att jästsporer är av liknande storlek som många intracellulära organeller i mänskliga celler. Dessa kan undersökas i framtiden."
Sedan den första experimentella demonstrationen av Miao och medarbetare 1999, koherent diffraktionsmikroskopi har använts för att avbilda ett brett spektrum av materialvetenskap och biologiska prover, som nanopartiklar, nanokristaller, biomaterial, celler, cellulära organeller, virus och kolnanorör med hjälp av röntgen, elektron- och laseranläggningar över hela världen. Tills nu, dock, strålningsskadaproblemet och svårigheten att få högkvalitativa 3D-diffraktionsmönster från enskilda hela celler har förhindrat framgångsrik högupplöst 3D-avbildning av biologiska celler genom röntgendiffraktion.
