Utilizando métodos de química física para observar la biología a nanoescala, un investigador del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab ha inventado una nueva tecnología para obtener imágenes de moléculas individuales con una resolución espectral y espacial sin precedentes, lo que conduce al primer "color verdadero"microscopio de súper resolución.
Ke Xu, científico de la facultad de la División de Ciencias de la Vida de Berkeley Lab, ha denominado su innovación SR-STORM, o microscopía de reconstrucción óptica estocástica resuelta espectralmente. Debido a que SR-STORM proporciona información espectral y espacial completa para cada molécula, la tecnología abre la puertaa imágenes de alta resolución de múltiples componentes y entornos químicos locales, como variaciones de pH, dentro de una célula.
La investigación se informó en la revista Métodos de la naturaleza en un documento titulado, "Espectroscopía de molécula única de ultra alto rendimiento y microscopía de súper resolución espectralmente resuelta", con los coautores Zhengyang Zhang, Samuel Kenny, Margaret Hauser y Wan Li, todos de UC Berkeley. Xu también es unprofesor asistente en el Departamento de Química de UC Berkeley.
"Medimos tanto la posición como el espectro de cada molécula individual, trazando su posición espacial superresuelta en dos dimensiones y coloreando cada molécula de acuerdo con su posición espectral, por lo que, en ese sentido, es microscopía de súper resolución en color verdadero, quees el primero de su tipo ", dijo Xu." Este es un nuevo tipo de imagen que combina la medición espectral de una sola molécula con microscopía de súper resolución ".
Además, SR-STORM es de alto rendimiento, capaz de entregar información espacial y espectral para millones de moléculas individuales en aproximadamente cinco minutos, en comparación con varios minutos para un solo cuadro de imagen que comprende decenas de moléculas utilizando técnicas convencionales basadas en escaneo.
Xu se basó en el trabajo que hizo como investigador postdoctoral en Harvard con Xiaowei Zhuang, quien inventó STORM, un método de microscopía de súper resolución basado en imágenes de una sola molécula y fotoconmutación. Al diseñar un sistema de doble objetivo con dos lentes de microscopio enfrentadasotro, Xu y sus colegas vieron el frente y el reverso de la muestra al mismo tiempo y lograron una resolución óptica sin precedentes de aproximadamente 10 nanómetros de una célula. Al usar este método para obtener imágenes de neuronas, mostraron que la actina, un componente clave del citoesqueletocolumna vertebral de la célula, tiene una estructura diferente en los axones que en las dendritas, dos partes de una neurona.
Pero las técnicas actuales de microscopía de súper resolución no entregan información espectral, lo cual es útil para que los científicos entiendan el comportamiento de las moléculas individuales, así como para permitir la obtención de imágenes multicolores de alta calidad de múltiples objetivos
"Así que construimos un sistema de doble objetivo pero dispersamos la imagen de una sola molécula recolectada por un lente objetivo en el espectro mientras mantenemos la otra imagen para la localización de una sola molécula", dijo Xu. "Ahora estamos acumulando simultáneamente el espectro delmoléculas individuales y también su posición, por lo que resolvimos el enigma "
A continuación, tiñeron la muestra con 14 tintes diferentes en una ventana de emisión estrecha y excitaron y cambiaron las moléculas con un solo láser. Mientras que los espectros de los 14 tintes se superponen fuertemente ya que están cerca de la emisión, descubrieron que los espectros delas moléculas individuales eran sorprendentemente diferentes y por lo tanto fácilmente identificables. "Eso es útil porque significa que teníamos una manera de hacer imágenes multicolores dentro de una ventana de emisión muy estrecha", dijo Xu.
De hecho, al usar cuatro colorantes para etiquetar cuatro estructuras subcelulares diferentes, como las mitocondrias y los microtúbulos, pudieron distinguir fácilmente las moléculas de diferentes colorantes en función de su media espectral sola, y cada estructura subcelular era de un color distinto.
"Entonces, utilizando este método, podemos observar las interacciones entre cuatro componentes biológicos dentro de una célula en tres dimensiones y con una resolución muy alta de aproximadamente 10 nanómetros", dijo Xu. "Las aplicaciones son principalmente de investigación fundamental y biología celular en este momento".punto, pero con suerte conducirá a aplicaciones médicas. Esto nos brinda nuevas oportunidades para observar las estructuras celulares, cómo se construyen y si hay alguna degradación de esas estructuras en las enfermedades ".
Muchas enfermedades son causadas por un patógeno invasor o por la degradación de la estructura interna de una célula. La enfermedad de Alzheimer, por ejemplo, puede estar relacionada con la degradación del citoesqueleto dentro de las neuronas ". El sistema del citoesqueleto está compuesto por una gran cantidad de estructuras y proteínas subcelulares que interactúan., y nuestra técnica permitirá la investigación sobre las interacciones entre estos diferentes objetivos con un número sin precedentes de canales de color y resolución espacial ", dijo.
A continuación, Xu está tratando de refinar el método mediante el uso de un sistema de un solo objetivo y hacerlo funcionar con sistemas de microscopio convencionales, lo que lo hace más accesible. También está tratando de desarrollar tintes y sondas adecuadas para monitorear el entorno local, como el pH, en células vivas a escala nanométrica.
La investigación fue parcialmente apoyada por la Facultad de Química de UC Berkeley y una subvención de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio LDRD de Berkeley Lab.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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