Att avbilda mycket små material kräver inte bara stor skicklighet av mikroskopisten, men också fantastiska instrument och tekniker. För en raffinerad mikroskopisk titt på biologiska material, utmaningarna inkluderar att få en bild som är fri från "brus, " den störning som kan orsakas av ett antal föremål, inklusive området kring ett föremål. Etiketter, färgämnen, eller fläckar som läggs till för att se objektet tydligare kan också ge problem eftersom de kan påverka objektet som ska skannas på oväntade sätt - skada eller till och med döda biologiska material.

Att titta på mikrotubuli är ett intressant exempel. Den ihåliga rörformiga strukturen fungerar som en ryggrad i celler och hjälper till att transportera material i cellen. Felfungerande mikrotubuli har associerats med olika sjukdomar inklusive cancer och Alzheimers sjukdom.

Att förstå hur mikrotubuli fungerar kan vara ett viktigt steg för att förstå sjukdomsprogression. Dock, studera en enda dynamisk mikrotubuli, som mäter 24 nanometer i diameter, och upp till 10 mikron i längd, är ingen lätt uppgift.

Forskare vid Quantitative Light Imaging Laboratory vid Beckman Institute for Advanced Science and Technology vid University of Illinois har kunnat använda etikettfri spatial ljusinterferensmikroskopi (SLIM) och datorbehandling för att avbilda mikrotubulierna i en analys. Studien, "Etikettfri avbildning av dynamik med en enda mikrotubuli med hjälp av rymdljusinterferensmikroskopi, "publicerades nyligen i ACS Nano .

Att kunna se mikrotubulierna utan användning av färgämnen eller fläckar är ett stort bidrag.

"Den etikettfria aspekten är det främsta genombrottet enligt min mening, "sa Gabriel Popescu, docent i el- och datateknik, och medlem av Beckmans Bioimaging Science and Technology Group. Popescu är senior författare på studien.

"Det har gjorts andra ansträngningar för att göra detta etikettfritt, det är en mycket viktig klass av utmaningar. Nuvarande tekniker ger mindre synfält, och bildkontrasten är inte lika bra."

Genom att mäta hur mycket ljus som fördröjs genom provet vid alla punkter i synfältet, forskarna kan hitta den optiska väglängdskartan för provet. Denna optiska väglängd – eller fasinformation – relaterar till ett provs brytningsindex och tjocklek, möjliggör detaljerade studier av cellstruktur och dynamik.

"Instrumentet ger en suddighet av bilden som är mycket större än storleken på mikrotubuli, " förklarar Popescu. "Så det är som om det smetar ut värdena för den fasfördröjningen. Men eftersom vi vårt system mycket bra, vi kan säkerhetskopiera det och komma fram till ett effektivt indexvärde för mikrotubuli, vilket är korrekt."

Den numeriska bearbetningen som används ger känsligheten inte bara för att se tubuli utan används också för att mäta ljusspridning.

"En viktig fysikalisk punkt är att när du väl känner till både ljusets intensitet och fas, då kan du numeriskt bearbeta den informationen och praktiskt taget sprida ljuset var som helst i rymden, inklusive vid ett plan långt bort från mikrotubuli, för att studera det spridda ljuset, sa Popescu.

Tidigare ansträngningar för att avbilda de minimala strukturerna har använt immunfluorescens, injicera antikroppar i fluorescerande färgämnen för att tydligt se cellen när den fungerar. Dock, fluorescensen kan påverka cellfunktionen och hur lång tid cellen kan avbildas.

"Vi avbildade dem under en mycket lång tid, inte två eller tre minuter, men ungefär åtta timmar, sade Mikhail Kandel, en doktorand i el- och datateknik och huvudförfattare till studien. "Människor är intresserade av metabolismen av proteinerna som går på mikrotubulierna och vi visade hur du kan se inbromsningen av dessa proteiner, vilket motsvarar att övervaka förbrukningen av deras bränslekälla."

"Du kan potentiellt räkna ut konsumtionen av ATP och proteinernas motilitetsegenskaper, som är väldigt intressanta."

Beckman -forskarna arbetade med Paul Selvin, professor i fysik.

"Det här kom precis ur en diskussion med Paul Selvins grupp, som har studerat mikrotubuli under lång tid med traditionella metoder för fluorescens, " sa Popescu. "Mikhail kom i kontakt med sina elever och de sa:Låt oss ge det ett försök. Att se dem med andra typer av fluorescens är en stor förbättring eftersom du i princip kan avbilda dem för alltid."

"Min grupp är intresserad av att se hur proteiner rör sig på och runt mikrotubuli, sa Selvin, en av studiens författare. "Denna nya teknik gör det inte bara möjligt för oss att få en uppfattning om hur cellerna kommer att fungera över tiden, men ökar också möjligheten för in vivo-avbildning av celler."

SLIM är en kommersiellt tillverkad produkt som kan passa på att uppgradera om vilket mikroskop som helst, säger forskarna. Detta gör att biologer kan använda andra mikroskopitekniker, inklusive fluorescens, förutom SLIM. SLIM-produkten är tillgänglig via Phi Optics, ett företag som Popescu grundade.

"En av de största utmaningarna inom interferometri är känslighet, som påverkas drastiskt av omgivningsbuller, till exempel, vibrationer eller luftfluktuationer. Men med den speciella stabila geometrin som används i SLIM, vi kan faktiskt uppnå otrolig känslighet i bråkdelar av nanometer, sa Popescu.

Forskarna planerar att tänja på gränserna för avbildningsceller, förhoppningsvis avbildning av mikrotubuli i levande celler.

"Om vi ​​lyckas trycka in det här i en levande cell, det skulle vara ett verkligt genombrott, "sa Popescu." Vi förutser stora utmaningar på grund av bakgrunden som finns i cellerna. Uppmuntrad av dessa resultat, vi tänker att vi en dag kanske kan ha en sådan känslighet att se fasförskjutningar från enstaka molekyler.

"Vi är inte där än, men man kan drömma."