Dwie głowy są lepsze niż jedna, jak mówi powiedzenie, a czasem dwa instrumenty, pomysłowo zrekombinowane, mogą osiągnąć wyczyny, których żadne nie mogło zrobić samodzielnie.
Tak jest w przypadku mikroskopu hybrydowego, urodzonego w morskim laboratorium biologicznym (MBL), który po raz pierwszy pozwala naukowcom jednocześnie wyobrazić sobie pełną orientację 3D i pozycję zespołu cząsteczek, takich jak znakowane białka wewnątrz komórek. Badania zostały opublikowane w tym tygodniu w Proceedings of National Academy of Sciences.
Mikroskop łączy spolaryzowaną technologię fluorescencji, cenne narzędzie do pomiaru orientacji cząsteczek, z podwójnym mikroskopem świetlnym (DISPIM), który wyróżnia się obrazowaniem wzdłuż osi głębokości (osiowej) próbki.
Ten zakres może mieć potężne aplikacje. Na przykład białka zmieniają orientację 3D, zwykle w odpowiedzi na ich środowisko, co pozwala im oddziaływać z innymi cząsteczkami w celu wykonywania swoich funkcji.
„Korzystając z tego instrumentu, można zarejestrować zmiany orientacji białek 3D” – powiedział pierwszy autor Talon Chandler z CZ Biohub San Francisco, były student absolwenta University of Chicago, który przeprowadził te badania częściowo w MBL. „Istnieje prawdziwa biologia, która może być dla ciebie ukryta przed samą zmianą pozycji samej cząsteczki” – powiedział.
Innym przykładem jest obrazowanie cząsteczek w wrzeciona komórki dzielącej – długotrwałe wyzwanie w MBL i gdzie indziej.
„Dzięki tradycyjnej mikroskopii, w tym światło spolaryzowanemu, możesz całkiem ładnie zbadać wrzeciono, jeśli znajduje się w płaszczyźnie prostopadłym do kierunku oglądania. Gdy tylko samolot zostanie przechylony, odczyt staje się niejednoznaczny”, powiedział współautor Rudolf Oldenbourg, senior Naukowiec w MBL. Ten nowy instrument pozwala „poprawić” pochylenie i nadal wychwytywać orientację 3D i położenie cząsteczek wrzeciona (mikrotubule).
Zespół ma nadzieję przyspieszyć swój system, aby mogli obserwować, jak zmieniają się pozycja i orientacja struktur w próbkach żywych. Mają również nadzieję, że rozwój przyszłych sond fluorescencyjnych pozwoli badaczom wykorzystać swój system do wyobrażenia większej różnorodności struktur biologicznych.
Zbieg widzenia
Koncepcja tego mikroskopu zużyła się w 2016 roku poprzez burzę mózgów przez innowatorów w mikroskopii, którzy spotkali się w MBL.
Hari Shroff z Hhmi Janelia, wówczas w National Institutes of Health (NIH) i MBL Whitman Fellow, pracował ze swoim specjalnie zaprojektowanym mikroskopem Dispim w MBL, który zbudował współpracę z Abhisheka Kumar, obecnie w MBL.
Mikroskop Dispim ma dwie ścieżki obrazowania, które spotykają się pod kątem prostym na próbce, umożliwiając naukowcom oświetlenie i obraz próbki z obu perspektyw. Ten podwójny widok może zrekompensować słabą rozdzielczość głębokości dowolnego pojedynczego widoku i oświetlić z większą kontrolą nad polaryzacją niż inne mikroskopy.
W rozmowie Shroff i Oldenbourg zdali sobie sprawę, że mikroskop z podwójnym widokiem może również rozwiązać ograniczenie spolaryzowanej mikroskopii świetlnej, czyli tego, że trudno jest skutecznie oświetlić próbkę ze spolaryzowanym światłem wzdłuż kierunku propagacji światła.
„Gdybyśmy mieli dwa ortogonalne poglądy, moglibyśmy znacznie lepiej wyczuć spolaryzowaną fluorescencję wzdłuż tego kierunku” – powiedział Shroff. „Myśleliśmy, dlaczego nie użyć Dispim, aby podjąć spolaryzowane pomiary fluorescencji?”
Shroff współpracował w MBL z Patrick La Rivière, profesorem na University of Chicago, którego laboratorium opracowuje algorytmy systemów obrazowania obliczeniowego. A La Rivière miał nowego absolwenta w swoim laboratorium, Talon Chandler, którego przyniósł do MBL. Wyzwanie polegające na połączeniu tych dwóch systemów stało się tezą doktorancką Chandlera i spędził następny rok w laboratorium Oldenbourg w MBL, pracując nad tym.
Zespół, który wcześnie obejmował Shalina Mehta, a następnie oparty na MBL, wyposażał disp z ciekłymi kryształami, co pozwoliło im zmienić kierunek polaryzacji wejściowej.
„A potem spędziłem dużo czasu, pracując, jak wyglądałaby na to rekonstrukcja? Jak najwięcej możemy odzyskać po tych danych, które teraz zaczynamy zdobywać?” Powiedział Chandler. Współautor Min Guo, wówczas zlokalizowany w poprzednim laboratorium Shroff w NIH, również pracował niestrudzenie nad tym aspektem, dopóki nie osiągnęli celu pełnej rekonstrukcji 3D orientacji i pozycji molekularnej.
„Między MBL, University of Chicago i NIH, gdy to przejąliśmy, było mnóstwo rozmowy, gdy to pracowaliśmy”-powiedział Chandler.