חוקרים להאיר את השדה של מיקרוסקופיה עם "nyoparticle 'buckyswitch'

החפרנים עונה 5 - שמות של ארצות (יולי 2019).

Anonim

הדמיה של תאים ביולוגיים מתחת למיקרוסקופ התבררה רק הודות למחקר שנערך על ידי סטודנט לתואר שני, ייפי ג'יאנג, והחוקר הראשי ג'ייסון מקניל מחוג הכימיה של אוניברסיטת קלמסון.

בעזרתו של רונדה פאוול וטרי ברוס מהמתקן להדמיה קלה של קלמסון, הצוות הצליח לפתח "מתג" של ננו-חלקיקים, אשר מזרז לחדד את הרזולוציה של תמונות מיקרוסקופיות המתארות מבנים תאיים קטנים. כפי שפורסם לאחרונה Nano Letters, מתג זה משפר על שיטת הדמיה שזכתה בפרס נובל בכימיה 2014.

בגלל המבנים הסלולר פולטים אור באורכי גל קטנים מ 400-700 ננומטר על הספקטרום האלקטרומגנטי, הם מופיעים לעתים קרובות מטושטשת באמצעות מיקרוסקופ אור. אילוץ זה נקרא גבול עקיפה, והוא מתרחש בגלל תכונות הגל של האור. כאשר האור עובר סביב מבנים בתוך תאים ביולוגיים, הוא מפריד, או מתכופף, עד לנקודה שבה מיקרוסקופים אור לא יכול לפתור בבירור. זוכה בפרס 2014 שיטת הדמיה - מיקרוסקופית מולקולה אחת לוקליזציה - הומצא כדי לעלות על מגבלה זו.

"מיקרוסקופית לוקליזציה של מולקולה אחת מבוססת על מולקולות 'פוטו-וויטצ'ים' - מולקולות פלואורסצנטיות שניתן להפעיל ולכבות, כמו מתג אור, כדי להגביל את גבול העקיפה", אמר מק'ניל. "עם שיטת הדמיה זו, המדגם הוא הדמיה מולקולה פלואורסצנטי אחד בכל פעם, מחשב משמש לבניית תמונה כי הוא הרבה יותר חדה ממה שאתה יכול לקבל עם מיקרוסקופ אור רגיל."

המלכוד, עם זאת, הוא כי הקרינה הניתנים על ידי photoswitches הוא עמום במקרה הטוב, עם רק שיפור קל ברזולוציה התמונה. מולקולה אחת לוקליזציה לוקליזציה גם דורש ציוד מיוחד שיכול להיות יקר להשיג.

רמז "buckyswitch" - גרסה משופרת של החוקרים קלמסון של photoswitch. זה סוג חדש של nanoparticle שומרת את יכולת onwwitch של photoswitch, אבל הוא 10 פעמים בהירים וקלים יותר לשימוש. זה גם מאפשר מיקרוסקופים ללכוד תמונות עד לרמה terapixel. (זה שווה ערך לטריליון פיקסלים, או מיליון מגה-פיקסל).

"חלקיקים אלה הם תמונות הראשון כדי להשיג דיוק עד 1 ננומטר, אשר מאוד משפר את הרזולוציה של הדמיה ברזולוציה גבוהה", אמר ג 'יאנג. "כמו כן, השיטה שלנו דורשת רק מקור אור עירור אחד, שבו טכניקות סופר ברזולוציה קונבנציונלית דורשים שני לייזרים, ולכן, יש לנו לפשט את הגדרת מיקרוסקופ."

ג'יאנג קיבץ את הדליון מתוך פולימר פלואורסצנטי, מוליך למחצה מצומצם המורכב עם נגזרות כימיות של כדורים: צורת כדורגל בצורת כדור של פחמן.

"החלק הקשה של ביצוע nanoparticle פלואורסצנטי כי אתה יכול להדליק ולכבות כי יש הרבה תחומים פולטים הקרינה בבת אחת, " אמר מקניל. "במקרה של פולימר פלואורסצנטי מצומצם, יש עשרות או מאות פלחי שרשרת, אתה יכול לנסות לעשות הרבה מתגים קטנים עבור כל קטע, אבל זה קשה כדי לקבל את כולם כדי לבטל באותו זמן.אתה יכול" לא לקבל אותם מסונכרנים. "

על ידי הוספת נגזרת של buckminsterfullerene, המכונה PCBM, כדי להפוך את buckyswitches, "מתג מאסטר" נוצר המסדיר את המטען האטומי של הקטעים של פולימר, ובכך סינכרון הקרינה. PCBM הוא מסוגל לתפוס אלקטרונים מן הקטע פולימר, נותן את קטע חיוב חיובי הכולל. חיוב חיובי זה מפחית את הקרינה של קטעים סמוכים, אשר יש אפקט דומינו כיבוי הקרינה של כל חלקיקים.

ברוס - שהרקע שלו עובר על נושאים של הנדסה כימית, ביולוגיה יישומית, ביולוגיה של התא וניסיון בהוראה ובתעשייה - מדמה את שיטת ההדמיה הזו לגשר של גשר תלוי בלילה.

"החוטים של הגשר מוארים לעתים קרובות, וכאשר אתה עומד רחוק מן הגשר, האורות נראים כמו אחד" חבל "רציף של אור, במקום נורות בודדות.עם זאת, אם אתה יכול לעשות את הנורות למצמץ - כך רק כל נורה אחרת היא "על" בכל עת - העיניים שלך יכול להבחין נורות בודדים מרחוק ", אמר ברוס. "הבסיס למיקרוסקופ ברזולוציה גבוהה טמון ביכולת להפוך תוויות ניאון" מהבהבות "בדיוק כמו האורות על הגשר.העבודה שהמעבדה של ד"ר מקניל עושה היא חיונית לקידום הטכנולוגיה הזו משום שהיא מתמקדת בהפיכתם אדם מהבהב הרבה יותר בהיר, כך שגלאי הפוטון הנוכחיים שלנו יכולים לראות את מהבהב.אם נוכל לראות את מהבהב עם מצלמה או גלאי פוטון אחר, אנחנו יכולים למפות היכן למצמץ מתרחשת, וליצור תמונה שבה אנו יכולים להבחין בשתי נקודות של אור שנמצאים בטווח של 10-20 ננומטרים זה מזה ".

לאחר שהמשחק היה מסונתז, ג'יאנג בחן אותו ב- E. coli, אך לא לפני שפיתח אמצעי צמיחה ייחודיים לחיידקים. בדרך כלל, E. coli הוא גדל בתקשורת כי הוא autofluorescent, כלומר זה טבעי פולט אור. ללא אמצעי התקשורת הנכונים, הקרינה של הדליפה תתעלם מאור הרקע, משהו שפאוול הדגיש.

"מחקר כמו זה שנערך Yifei נדרש רק רקע רקע קטן מאוד, אז חקרתי רכיבי התקשורת כי יהיה פחות סיכוי להיות autofluorescent והכין" מתכון "עבור לא קונבנציונאלי, פחות autoluorescent מדיה מזין לתרבית חיידקים", אמר פאוול, שחקר את מדעי הביולוגיה והמיקרוביולוגיה בקלמסון לפני שנעשה מנהל מעבדת המחקר של מתקן ההדמיה קלמסון אור. פאוול וברוס עבדו גם על מנת לספק את ג'יאנג עם ה- E. coli למחקר.

לאחר כל המרכיבים הדרושים היו בריבוע משם, ג 'יאנג המצורפת nyoparticle buckyswitches על פני השטח של E. coli. כצפוי, את buckyswitches פולטים הבזקים קטנים של אור, אשר אפשרה לחוקרים לקבוע את המיקום המדויק. לאחר מכן הם חיברו יחד כל הבזק של אור כדי לשחזר את הצורה של E. coli, מניב תמונה ברזולוציה גבוהה.

"אנו מקווים כי פריצת דרך זו תוכל בסופו של דבר לסייע לחוקרים להתמודד עם בעיות קשות בביולוגיה, מה שיוביל לפריצות דרך בהבנת וטיפול במחלות", אמרה קבוצת קלמסון.

הצוות עיצב את ה- buckyswitches כדי לעבוד עם מיקרוסקופ פלורסנט סטנדרטי ותוכנה חופשית הזמינה באינטרנט, מה שהופך את הטכנולוגיה לזולה ונגישה למעבדות ברחבי העולם.

הפרסום שלהם, שכותרתו "שיפור Superresolution הדמיה באמצעות רעש הטלגרף של חלקיקים אורגני סמיקונדקטור", הוא בהשתתפות בגיליון יוני 14 של ננו אותיות.

menu
menu