En subcellulär värld har öppnats för forskare att studera E coli och andra vävnader på nya sätt, tack vare en mikroskopimetod som smygande ger tredimensionella, högkvalitativa bilder av cellens inre struktur utan att provet störs.
Genom att kombinera en ny algoritm med en nyutvecklad tilläggsteknik för kommersiella mikroskop, forskare vid University of Illinois har skapat en snabb, icke-invasiv 3D-metod för visualisering, kvantifiera, och studera celler utan användning av fluorescens eller kontrastmedel.
I ett papper publicerat online i tidningen idag PLoS ONE , forskarna som utvecklade tekniken rapporterade att de kunde använda den för att visualisera E coli bakterier med en kombination av hastighet, skala, och upplösning utan motstycke för en etikettfri metod.
Metoden är baserad på en bredbandsinterferometrisk teknik känd som Spatial Light Interference Microscopy (SLIM) som designades av Beckman Institute-forskaren Gabriel Popescu som en tilläggsmodul till ett kommersiellt faskontrastmikroskop. SLIM är extremt snabb och känslig i flera skalor (från 200 nm och uppåt) men, som ett linjärt optiskt system, dess upplösning är begränsad av diffraktion.
Genom att tillämpa en ny dekonvolutionsalgoritm för att hämta information om begränsad upplösning av sub-diffraktion från fälten mätt med SLIM, Popescu och hans medforskare kunde återge tomografiska bilder med en upplösning bortom SLIM:s diffraktionsgränser. De använde den glesa rekonstruktionsmetoden för att återge 3D -rekonstruerade bilder av E coli celler, möjliggör etikettfri visualisering av proverna vid subcellulära vågar.
Förra året visade forskarna framgångsrikt en ny optisk teknik som tillhandahåller 3D -mått på komplexa fält som kallas Spatial Light Interference Tomography (SLIT) på levande neuroner och fotoniska kristallstrukturer. I detta projekt utvecklade de en ny algoritm för att ytterligare utöka de tredimensionella funktionerna genom att utföra dekonvolution på det uppmätta 3D-fältet, baserat på att modellera bilden med hjälp av sparsitetsprinciper. Denna mikroskopifunktion, kallas dSLIT, användes för att visualisera lindade subcellulära strukturer i E coli celler.
Forskarna sa att dessa strukturer endast har observerats med hjälp av specialiserade stammar och plasmider och fluorescenstekniker, och vanligtvis på icke-levande celler. Dessa nya metoder ger ett praktiskt sätt för icke-invasiv studie av sådana strukturer.
Mustafa Mir är första författare på tidningen och medlem i Popescus Quantitative Light Imaging Laboratory i Beckman. Mir sa att det är viktigt att studera och förstå den tredimensionella inre strukturen hos levande celler för att öka vår förståelse av biologisk funktion.
"Att visualisera dem är extremt utmanande på grund av deras lilla storlek och transparenta natur, "Mir sa." Denna nya metod, dock, ger ett sätt att dra nytta av de inneboende egenskaperna hos dessa mycket små, transparenta celler icke-invasivt och utan användning av fluorescenstekniker och kontrastmedel.
"Tidigare studier har alltså använt extrinsisk kontrast som fluorescens och specialiserade stammar i kombination med komplexa superupplösningstekniker för sådana studier. Detta kommer att göra det möjligt för biologer att studera subcellulära strukturer samtidigt som cellen störs minimalt från dess naturliga tillstånd."
Forskarna skrev att metoden behandlar två stora problem i cellmikroskopi:brist på kontrast, på grund av cellernas tunna och optiskt transparenta natur, och diffraktionsbegränsad upplösning.
"Även om flera sådana strukturer tidigare har identifierats, lite är känt om deras funktion och beteende på grund av de praktiska svårigheterna med att avbilda dem, "de avslutade." Resultaten som presenteras här indikerar att dSLIT kan användas för att karakterisera och studera sådan subcellulär struktur på ett praktiskt och icke-invasivt sätt, öppna dörren för en mer ingående förståelse av biologin. "
