Naukowcy z Uniwersytetu Tokijskiego opracowali nowy mikroskop, który może jednocześnie obrazować struktury w 14-krotnie szerszym zakresie intensywności niż tradycyjne mikroskopy. Co ważne, osiąga się to bez stosowania barwników fluorescencyjnych lub innych środków znakujących, dzięki czemu jest wyjątkowo delikatny dla żywych komórek i idealny do długotrwałych obserwacji. Odkrycie to, opublikowane w Nature Communications, rozwiązuje problem fundamentalnego ograniczenia współczesnej mikroskopii: kompromisu pomiędzy rozpoznawaniem wielkoskalowych struktur komórkowych a śledzeniem pojedynczych nanocząstek.
Dylemat mikroskopii
Przez stulecia mikroskopia była siłą napędową postępu naukowego. Jednakże zaawansowane techniki w przeszłości wymagały specjalizacji. Ilościowa mikroskopia fazowa (QPM) doskonale nadaje się do obrazowania struktur większych niż 100 nanometrów, zapewniając szeroki obraz komórek, ale brakuje jej czułości do wykrywania drobnych szczegółów. Z kolei interferometryczna mikroskopia rozproszona (iSCAT) umożliwia śledzenie poszczególnych białek i nanocząstek, ale ma trudności z uchwyceniem kompleksowego kontekstu komórkowego obserwowanego w przypadku QPM.
Ten podział zmusił badaczy do wyboru między holistycznymi migawkami a dynamicznym śledzeniem – aż do teraz.
Łączenie luki: jednoczesny wymiar światła
Zespół badawczy kierowany przez Kohi Hori, Keiichiro Toda, Takuma Nakamura i Takuro Ideguchi zasugerował, że równoczesny pomiar światła rozproszonego do przodu i do tyłu mógłby pokonać to ograniczenie. Analizując sposób, w jaki światło oddziałuje z próbką z obu kierunków, chcieli odkryć szeroki zakres rozmiarów i ruchów na jednym obrazie.
„Chciałbym zrozumieć dynamiczne procesy zachodzące wewnątrz żywych komórek metodami nieinwazyjnymi” – wyjaśnia Hori, podkreślając motywację do pracy.
Potwierdzenie pod mikroskopem: obserwacja śmierci komórki
Aby przetestować swój nowy mikroskop, zespół skupił się na dynamicznym procesie: śmierci komórki. Rejestrując pojedynczy obraz kodujący informacje pochodzące z ruchu światła tam i z powrotem, wykazali zdolność do ilościowego określenia zarówno ruchu większych struktur komórkowych, jak i ruchu drobnych cząstek w komórce.
„Naszym największym wyzwaniem” – wyjaśnia Toda – „było dokładne oddzielenie dwóch rodzajów sygnałów z jednego obrazu, przy jednoczesnym utrzymaniu niskiego poziomu szumów i unikaniu ich mieszania”.
Ilościowe określanie rozmiaru i ruchu
Powstały mikroskop nie tylko rejestruje ruch struktur w różnych skalach, ale także szacuje rozmiar i współczynnik załamania światła każdej cząstki. Współczynnik załamania światła, miara załamania światła przechodzącego przez materię, dostarcza dodatkowych informacji na temat składu i właściwości obserwowanych cząstek.
Ta połączona możliwość umożliwia badaczom monitorowanie dynamicznych zmian w żywych komórkach bez artefaktów powodowanych przez znakowanie fluorescencyjne. Ujednolicone podejście może przyspieszyć badania w farmacji, biotechnologii i innych dziedzinach wymagających długoterminowej obserwacji komórek o wysokiej rozdzielczości.
To osiągnięcie stanowi znaczący krok w kierunku wszechstronnej platformy mikroskopowej zdolnej wypełnić lukę pomiędzy mikro- i nanoobrazowaniem.
