Forskare vid Helmholtz Zentrum Muenchen har utvecklat en metod för att visualisera genuttryck av celler med ett elektronmikroskop. Även om elektronmikroskopi för närvarande ger den mest detaljerade inblicken i celler, den kan inte skilja på vilka genetiska program som körs inuti enskilda celler. Den nya metoden kan nu se närmare genom att använda genetiskt programmerade nanosfärer i olika storlekar som "flerfärgade" markörer, som till och med kan vara till hjälp för att undersöka hur minnen lagras i neuronala nätverk.

Vad exakt händer i cellerna? Denna fråga har hållit forskare upptagen i årtionden. För att märka små strukturer, forskare har använt fluorescerande proteiner. Denna metod fungerar bra men har nackdelar på grund av den relativt dåliga upplösningen av ljusmikroskop. Även om elektronmikroskop tillåter en närmare titt, säger Prof. Dr. Gil Gregor Westmeyer, "hittills finns det knappt några lösningar för flerfärgad genetisk märkning av celler för denna teknik, så att man direkt kan skilja mellan olika celler." Han leder en forskargrupp vid Institutet för biologisk och medicinsk bildbehandling (IBMI) i Helmholtz Zentrum München och är professor i molekylär bildbehandling vid TUM School of Medicine.

Nanokompartment som flerfärgsetiketter för elektronmikroskopi

Westmeyer och kollegor har arbetat med så kallade inkapsuliner under en tid. Dessa är små, giftfria proteiner från bakterier. Encapsuliner monteras automatiskt till nanokompartier där kemiska reaktioner kan köras utan att störa cellens metabolism. Beroende på de experimentella förhållandena, nanokompartment med olika diametrar bildas i levande celler via genetisk programmering. "Analogt med färgerna i fluorescensmikroskopi, vår metod förvandlar geometri till en etikett för elektronmikroskopi, ", tillägger Felix Sigmund från Westmeyers forskargrupp.

För att uppnå stark kontrast i bilderna från elektronmikroskopi, forskarna använder enzymet ferroxidas, som kan inkapslas i det inre av inkapsuliner. Om järnjoner kommer in i det inre lumen genom porerna i nanokompartierna, tvåvärda järnjoner oxideras av enzymet till sin trevärda form. Detta skapar olösliga järnoxider som blir kvar inuti. Metaller skapar bra kontraster eftersom de "sväljer" elektroner-jämförbara med täta ben i en röntgenbild, som starkt absorberar röntgenstrålar. Denna speciella materialegenskap hos inkapsuliner gör dem tydligt synliga på bilderna.

Efter neuronala delar

Med sin nya metod, forskarna ska nu även undersöka neurala kretsar. Trots den imponerande upplösningen av elektronmikroskopi, Metoden kan inte på ett tillförlitligt sätt skilja vissa typer av neuroner i hjärnan. "Med våra nya reportergener, vi kunde märka specifika celler och sedan läsa ut vilken typ av nervceller som gör vilka anslutningar och vilket tillstånd cellerna är i, ", tillägger Westmeyer.

Denna nya reporterteknologi skulle därmed också kunna hjälpa till att avslöja det exakta kopplingsschemat för hjärnor och att närmare undersöka hur minnen lagras i neuronala nätverk.