University of California, San Diegos Nanofabrication Cleanroom Facility (Nano3) är den första institutionen att skaffa ett nytt FEI Scios dubbelstrålemikroskop, med en anpassning för användning vid kryogena temperaturer. Det nya mikroskopet kommer att möjliggöra forskning bland en mycket varierad användarbas, allt från materialvetenskap till struktur- och molekylärbiologi.

Som Nano3 tekniska direktör Bernd Fruhberger förklarar:"Det finns ett enormt intresse för att använda detta instrument bland fakulteter från flera institutioner. Institutionen för nanoteknik, Material och flygteknik, El- och datorteknik, Kemi, Fysik och biologi vid UC San Diego har alla projekt i behov av detta verktyg, och har varit aktivt delaktiga i att göra upphandlingen av verktyget till verklighet.

"Instrumentet ger toppmoderna funktioner för tvärsnitt, förberedelse av sektioner för transmissionselektronmikroskopi med mera, " han lägger till, "men det som verkligen skiljer det åt är den nya kryo-förmågan, vilket kommer att göra det möjligt för cellbiologer att se biologiska cellers strukturer i högre upplösning för att bättre förstå hur celler fungerar på molekylär nivå. Detta kan möjligen bana väg för nya behandlingar och upptäckt av läkemedel. "

Elizabeth Villa, en ny biträdande professor vid institutionen för kemi och biokemi vid UC San Diego, tillsammans med sina kollegor vid Tysklands Max Planck Institute of Biochemistry, anpassade ett fokuserat jonstrålemikroskop för biologiska tillämpningar under sina postdoktorala studier. Designen antogs av det holländska företaget FEI till en första i sitt slag prototyp som Villa kommer att vidareutveckla i UC San Diego i samarbete med företaget.

Villa noterar att UC San Diego har en etablerad akademisk tradition inom området molekylär avbildning – framför allt återspeglas i biokemisten Roger Tsiens arbete. Tsien vann 2008 års Nobelpris i kemi för upptäckten och utvecklingen av det gröna fluorescerande proteinet, som revolutionerade områdena cellbiologi och neurobiologi genom att tillåta forskare att titta in i levande celler och se deras beteende i realtid.

"Det jag gör är liknande, " förklarar Villa, "bara jag använder elektronmikroskopi, vilket ger oss bilder med högre upplösning. Tanken bakom vår metod är att föra samman människor som sysslar med strukturbiologi med människor som gör cellbiologi genom att använda ett nytt verktyg som gör att vi kan se cellernas strukturer, i hög upplösning, och bättre förstå vad molekyler gör."

För att förklara skillnaden mellan ljusmikroskopi (som gjorde Tsiens arbete möjligt) och hennes arbete inom elektronmikroskopi, Villa åberopar en metafor.

"Ljusmikroskopi är som att ge lyktor till ett gäng människor i en stad. Du kan se var dessa människor är, men du kan inte se vad som händer runt dem. Med elektronmikroskopi, du kan se människorna med lyktor (en cells molekyler) och du kan också se stadens väggar och byggnader (cellens struktur)."

Men elektronmikroskopi har sin baksida. Traditionellt, att vara synlig, celler måste förberedas i förväg genom att torka och färga dem med vad Villa motsvarar ett "tjockt lager färg." Dock, de flesta celler är för tjocka för att studeras på detta sätt, och det är det som gör Scios -verktyget till en spelväxlare:Det gör att Villa kan kringgå fläcken och nanomaskinera cellerna för att reducera dem till den tjocklek som krävs för elektronmikroskopi - cirka några tiondelar av en mikron - utan att skapa några provstörningar och samtidigt bibehålla kryogen temperaturer (i allmänhet temperaturen för flytande kväve).

Tillägger Villa:"Det finns människor på campus - som neurovetenskapsprofessor Mark Ellisman - som gör ett fantastiskt jobb med att designa och använda dessa typer av fläckar, men när målet är att få en högupplöst bild av cellerna där frågan handlar om att bestämma strukturella detaljer, du vill undvika att ha det här extra lagret ovanpå dem. Det skulle vara som att ha ett lager färg över ansiktet och sedan försöka räkna hur många ögonfransar du har. Du skulle gå i konkurs."

Villa jämför processen att studera celler (vanligtvis eukaryota celler, i hennes fall) vid kryogena temperaturer för att "blixtfrysa" den cellulära "staden" i hennes tidigare metafor.

"Allt i cellen fryser i det läge det var i så att vi kan få ett bättre utseende, " säger hon. "En sak jag har studerat är något som kallas kärnporkomplexet, som är kärnans portvakt. Det håller DNA inuti kärnan och borta från de andra delarna av cellen. Om vi ​​skulle ta ut det ur cellen helt för att studera det, det skulle inte vara så meningsfullt, det är därför vi måste frysa det på plats.

"Med kryo-elektrontomografitekniker, vi kan skapa 3D-bilder av cellerna som kallas tomogram, " fortsätter hon. "Det jag gör är exakt likvärdigt med en CT-skanning (datortomografi), förutom att cellerna är en miljon gånger mindre. Vi kan ta dessa 3D-bilder och titta på dem i (Qualcomm Institutes) StarCAVE eller NexCAVE förstorade och i färg, och få en ännu bättre känsla för vad som händer."

Villa tillägger att en annan fördel med kryo-elektronmikroskopi är förmågan att härleda celldynamik över tid, "eller vad vi kallar i fysiken" ergodicitet ". Jag kan titta på 3, 000 kärnporer frusna vid olika tidpunkter för att sluta sig till celldynamiken, klassificera all denna information och gör sedan förutsägelser. Vi kan sedan göra ett ljusmikroskopi -experiment in vivo (med en levande cell) och korrelera det vi ser med de tidigare data vi har samlat in. "

Villa påpekar att genom att använda Scios dubbelstråle för nanobearbetning av biologiskt material är hon på sätt och vis, "kapa ett verktyg som materialforskare använder hela tiden vid nanotillverkning av material."

Scios-mikroskopet kommer också att underlätta planerad UC San Diego-ledd forskning inom neurodegenerativa sjukdomar, säger Villa, samt forskning kring cancer och hjärtsjukdomar.

"Många typer av störningar eller fenotyper som kommer från sjukdom eller återhämtning från sjukdom kommer att kunna undersökas med Scios-mikroskopet, " konstaterar hon. "Det är viktigt att notera att detta är ett första steg och att det återstår mycket arbete att göra, men det placerar oss på en riktigt spännande plats där vi strävar efter att titta på molekylära strukturer i deras naturliga sammanhang:från cellen till organismnivån. "