Tyska forskare vid Helmholtz-Zentrum Berlin har utvecklat ett nytt röntgen-nanotomografimikroskop. Genom att använda deras nya system, de kan avslöja strukturerna på de minsta komponenterna i däggdjursceller i tre dimensioner.

För första gången, det finns inget behov av att kemiskt fixa, färga eller skära celler för att studera dem. Istället, hela levande celler snabbfrysas och studeras i sin naturliga miljö. Den nya metoden ger en omedelbar 3D-bild, därigenom stänger ett gap mellan konventionella mikroskopiska tekniker.

Det nya mikroskopet ger en högupplöst 3D-bild av hela cellen i ett steg. Detta är en fördel jämfört med elektronmikroskopi, där en 3D-bild är sammansatt av många tunna sektioner. Detta kan ta upp till veckor för bara en cell. Också, cellen behöver inte märkas med färgämnen, till skillnad från i fluorescensmikroskopi, där endast de märkta strukturerna blir synliga. Det nya röntgenmikroskopet utnyttjar istället den naturliga kontrasten mellan organiskt material och vatten för att bilda en bild av alla cellstrukturer. Dr Gerd Schneider och hans mikroskopiteam vid Institutet för mjuk materia och funktionella material har publicerat sin utveckling i Naturmetoder .

Med den höga upplösningen som uppnås av deras mikroskop, forskarna, i samarbete med kollegor från National Cancer Institute i USA, har rekonstruerat musadenokarcinomceller i tre dimensioner. De minsta detaljerna var synliga:det dubbla membranet i cellkärnan, kärnporer i kärnvapenhöljet, membrankanaler i kärnan, talrika invaginationer av det inre mitokondriella membranet och inneslutningar i cellorganeller såsom lysosomer. Sådana insikter kommer att vara avgörande för att belysa inre cellulära processer:till exempel hur virus eller nanopartiklar tränger in i celler eller in i kärnan, till exempel.

Detta är första gången den så kallade ultrastrukturen av celler har avbildats med röntgenstrålar med sådan precision, ner till 30 nanometer. Tio nanometer är ungefär en tiotusendel av bredden på ett människohår. Ultrastruktur är den detaljerade strukturen av ett biologiskt prov som är för litet för att kunna ses med ett optiskt mikroskop.

Forskare uppnådde denna höga 3D-upplösning genom att belysa de små strukturerna hos det frusna hydratiserade föremålet med delvis koherent ljus. Detta ljus genereras av BESSY II, synkrotronkällan vid HZB. Partiell koherens är egenskapen hos två vågor vars relativa fas genomgår slumpmässiga fluktuationer som inte är dock, tillräckligt för att göra vågen helt osammanhängande. Belysning med partiellt koherent ljus genererar betydligt högre kontrast för små objektdetaljer jämfört med osammanhängande belysning. Genom att kombinera detta tillvägagångssätt med en högupplöst lins, forskarna kunde visualisera cellers ultrastrukturer med hittills ouppnådd kontrast.

Det nya röntgenmikroskopet ger också mer utrymme runt provet, vilket leder till en bättre rumsvy. Detta utrymme har alltid varit mycket begränsat av inställningen för provbelysningen. Det erforderliga monokromatiska röntgenljuset skapades med hjälp av ett radiellt rutnät och sedan, från detta ljus, ett diafragma skulle välja det önskade våglängdsintervallet. Membranet måste placeras så nära provet att det nästan inte fanns något utrymme för att vända provet. Forskarna modifierade denna inställning:Monokromatiskt ljus samlas upp av en ny typ av kondensor som direkt belyser objektet, och diafragman behövs inte längre. Detta gör att provet kan vridas upp till 158 grader och observeras i tre dimensioner. Dessa utvecklingar ger ett nytt verktyg inom strukturbiologin för bättre förståelse av cellstrukturen.