Neues Licht auf Zellmembranen
Forscher können jetzt Zellen und Bewegungen von Molekülen in 6D abbilden
Forschungen aus dem Labor von Matthew Lew an der Washington University in St. Louis bieten völlig neue Möglichkeiten, das ganz Kleine zu sehen.
Mit Hilfe von polarisiertem Licht und programmierbaren Mikroskopen können die Forscher des Lew-Labors an der McKelvey School of Engineering sehen, wie sich Moleküle bewegen und wie sie sich drehen - und das gleichzeitig.
Oument Zhang/WashU
Die Forschungsergebnisse - zwei Arbeiten von Doktoranden der McKelvey School of Engineering - wurden in den Fachzeitschriften Optica und Nano Letters veröffentlicht.
Sie haben neuartige Hardware und Algorithmen entwickelt, die es ihnen ermöglichen, die Bausteine der biologischen Welt über drei Dimensionen hinaus auf eine Weise zu visualisieren, die bisher nicht möglich war. Schließlich sind Zellen dreidimensionale Objekte und voller "Zeug" - Moleküle -, das sich bewegt, rotiert, dreht und taumelt, um das Leben selbst anzutreiben.
Wie herkömmliche Mikroskope nutzt auch die Arbeit der beiden Doktoranden Tingting Wu und Oumeng Zhang aus dem Lew-Labor Licht, um in die mikroskopische Welt zu blicken - doch ihre Innovationen sind alles andere als herkömmlich. Bei der Verwendung von Licht in der Bildgebung interessieren sich die Menschen in der Regel dafür, wie hell das Licht ist oder welche Farbe es hat. Aber Licht hat noch andere Eigenschaften, darunter die Polarisation.
"Oumengs Arbeit verdreht die Polarisation des Lichts", sagt Lew, Assistenzprofessor im Preston M. Green Department of Electrical & Systems Engineering. "Auf diese Weise kann man sehen, wie sich die Dinge gleichzeitig übersetzen (in geraden Linien bewegen) und drehen" - etwas, was die herkömmliche Bildgebung nicht kann.
"Die Entwicklung einer neuen Technologie und die Möglichkeit, Dinge zu sehen, die wir bisher nicht sehen konnten, ist aufregend", so Zhang. Diese einzigartige Fähigkeit, sowohl die Rotation als auch die Position gleichzeitig zu verfolgen, verschafft ihm einzigartige Einblicke in die Interaktion zwischen biologischen Materialien - zum Beispiel menschlichen Zellen und Krankheitserregern -.
Wus Forschung bietet auch eine neue Möglichkeit, Zellmembranen abzubilden und gewissermaßen in sie hineinzusehen. Mithilfe fluoreszierender Tracer-Moleküle bildet sie ab, wie die Tracer mit den Fett- und Cholesterinmolekülen in der Membran interagieren, und bestimmt, wie die Lipide angeordnet und organisiert sind.
"Jede Zellmembran, jeder Zellkern, alles in der Zelle ist eine 3D-Struktur", sagt sie. "Das hilft uns, das gesamte Bild eines biologischen Systems zu erfassen. So können wir bei jeder biologischen Probe mehr als nur drei Dimensionen sehen - wir sehen die 3D-Struktur plus drei Dimensionen der molekularen Orientierung, was uns 6D-Bilder liefert."
Die Forscher haben eine computergestützte Bildgebungstechnologie entwickelt, die Software und Hardware miteinander verbindet, um das bisher Unsichtbare zu sehen.
"Das ist ein Teil der Innovation", sagte Lew. "Traditionell waren die Labors für biologische Bildgebung an das gebunden, was die kommerziellen Hersteller herstellen. Aber wenn wir die Dinge anders gestalten, können wir so viel mehr tun".
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Originalveröffentlichung
Tingting Wu, Jin Lu, and Matthew D. Lew ; Dipole-spread-function engineering for simultaneously measuring the 3D orientations and 3D positions of fluorescent molecules; Optica; Vol. 9, Issue 5, pp. 505-511 (2022).
Oumeng Zhang, Weiyan Zhou, Jin Lu, Tingting Wu, and Matthew D. Lew; Resolving the Three-Dimensional Rotational and Translational Dynamics of Single Molecules Using Radially and Azimuthally Polarized Fluorescence; Nano Lett. 2022.
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