Goda nyheter: billiga mikroskop kan också få superupplösta bilder
Teamet av nanologer Ali Shaib och Silvio Rizzoli vid University Medical Center i Göttingen, Tyskland, har utvecklat en metod för vanlig ljusmikroskopi - tekniken ONE Microscope - som registrerar bilder av enskilda proteiner och aldrig tidigare sett cellstrukturer i en nivå detaljer som till och med överstiger ett mikroskop med "superupplösning" på flera miljoner dollar. "superupplösta" mikroskop för flera miljoner dollar. Resultaten publicerades på preprint-webbplatsen bioRxiv.
"Det borde finnas någon form av demokrati inom mikroskopiteknik." Rizzoli påpekar att den höga upplösningen av den nya tekniken är tillämpbar på många, inte de få välbärgade labben.
Förmågan hos konventionella optiska mikroskop är begränsade av optikens lagar, vilket innebär att observationer av objekt mindre än 200 nm är otydliga, sa Rizzoli och tillade att forskare har utvecklat metoder för superupplösning utanför fysik som kan minska denna gräns till cirka 10 nm. Denna metod, som vann Nobelpriset i kemi 2014, använder optiska knep för att lokalisera fluorescerande molekyler som är fästa vid proteiner.
2015 föreslog forskare ett annat sätt att kringgå den optiska gränsen. Ett team av forskare ledda av Edward Boyden, en neural ingenjör vid Massachusetts Institute of Technology i USA, visade att uppblåsbara vävnader (med hjälp av en absorberande förening som finns i blöjor) kunde hålla cellulära föremål borta från varandra. Tekniken, känd som inflationsmikroskopi, har lett till ett kvantsprång i mikroskopupplösning, vilket gör att strukturer på runt 20nm kan lösas.
Shaib och Rizzolis teknik kombinerar de två metoderna för att uppnå sub-1nm-upplösning. Denna klarhet är tillräcklig för att avslöja formen på enskilda proteiner, som tidigare vanligtvis avbildades mer i detalj med hjälp av dyrare strukturbiologiska metoder, såsom kryo-elektronmikroskopi.
Enkelheten med expansionsmikroskopi är en del av dess överklagande, och Boyden uppskattar att mer än 1,000 laboratorier har anammat tekniken. Proverna behandlas med kemikalier som immobiliserar proteinerna på en polymer, som sväller till 1,000 gånger sin ursprungliga storlek när vatten tillsätts, vilket gör att molekylerna kan separeras. EN mikroskopiteknik använder också värme eller enzymer för att bryta ner proteinerna, så att enskilda fragment sträcks åt olika håll under svällningsprocessen.
Forskarna har använt sin metod för att spela in bilder av en neuromolekyl, GABAA-receptorn, som liknar högupplöst kryo-elektronmikroskopi och röntgenkristallografikartor över proteiner. De har också fångat konturerna av en stor del av ett protein som kallas ototoxin, vars struktur ännu inte har fastställts, som hjälper till att överföra ljudsignaler i hjärnan. Formen liknar strukturella förutsägelser som gjorts av AlphaFolds djupinlärningsnätverk.
Även om metoden inte kan matcha upplösningen för kryoelektronmikroskopi, som i vissa fall kan avslöja detaljer på nära atomnivå mindre än 0.2 nm, är kryoelektronmikroskopitekniker både ynkliga och dyra, Rizzoli sa och tillade att EN mikroskopi däremot kan ge ett snabbt och enkelt sätt att förstå strukturen hos nästan vilken molekyl som helst.
En del av motivationen för att utveckla tekniken var att utöka tillgängligheten för banbrytande optiska mikroskop, sa Rizzoli. ONE-mikroskopmetoden är enkel nog att kunna tillämpas på fluorescensmikroskop, som blev föråldrade på 1990-talet.
Salma Tammam, en läkemedelsteknolog vid tyska universitetet i Kairo, planerar att skicka en doktorand för att studera tekniken i sommar. Hennes labb studerar hur nanopartiklar rör sig genom celler, och de vill se detaljer om partiklarna och deras bärare. Men som många forskare i låg- och medelinkomstländer har de inte tillgång till dyra superupplösta mikroskop.
Att utöka användningen av superupplösningsmikroskopi är också viktigt för forskare vid välfinansierade institutioner, säger Noa Lipstein, synapsbiolog vid Leibniz Center for Molecular Pharmacology i Tyskland. Hon grundade nyligen en oberoende forskargrupp och valde att tillämpa EN mikroskopi för sina studier av synaptiska detaljer.
