Die Grenzen der Superauflösungsmikroskopie erweitern: selbstausrichtende Mikroskopie
Mithilfe ultrapräziser Mikroskopie, die über die Grenzen des mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Superauflösungsmikroskops hinausgeht, können Wissenschaftler die Abstände zwischen einzelnen Molekülen direkt messen.
Medizinforscher an der University of New South Wales haben in der Einzelmolekülmikroskopie eine beispiellose Auflösung erreicht, um Wechselwirkungen zwischen einzelnen Molekülen innerhalb intakter Zellen zu erkennen.
Der Nobelpreis für Chemie 2014 wurde für die Entwicklung der Fluoreszenzmikroskopie-Technologie mit superhoher Auflösung verliehen, die Mikroskopikern erstmals einen molekularen Blick in das Innere einer Zelle ermöglichte, eine Funktion, die neue molekulare Ansichten komplexer biologischer Systeme und Prozesse ermöglicht.
Nun wurden die Nachweisgrenzen der Einzelmolekülmikroskopie noch einmal erweitert und Einzelheiten dazu in der neuesten Ausgabe von Science Advances veröffentlicht.
Mit Mikroskopen mit ultrahoher Auflösung ist es zwar möglich, einzelne Moleküle zu beobachten und zu verfolgen, doch die Wechselwirkungen zwischen diesen Molekülen finden in einem Maßstab statt, der mindestens viermal kleiner ist als der, den vorhandene Einzelmolekülmikroskope auflösen.
„Der Grund, warum Einzelmolekülmikroskope typischerweise Lokalisierungsgenauigkeiten von etwa 20 bis 30 Nanometern aufweisen, liegt normalerweise darin, dass sich das Mikroskop bei der Signalerfassung tatsächlich bewegt. Dies führt zu Unsicherheit. Mit vorhandenen Instrumenten mit Superauflösung können wir möglicherweise nicht feststellen, ob ein Protein an ein anderes gebunden ist, da der Abstand zwischen ihnen geringer ist als die Unsicherheit ihrer Positionen.“
Um dieses Problem zu lösen, baute das Team eine automatisierte Rückkopplungsschleife in das Einzelmolekülmikroskop ein, die den optischen Pfad und den Spiegeltisch erkennt und neu ausrichtet.
"Egal, was Sie mit diesem Mikroskop machen, es findet den Rückweg im Grunde mit Nanometerpräzision. Es ist ein intelligentes Mikroskop. Es kann alles tun, was ein Bediener oder Servicetechniker tun muss, und das 12 Mal pro Sekunde", sagte Prof. Goss.
Den Abstand zwischen Proteinen messen
Mit dem in diesem Artikel beschriebenen Design und der Methodik hat das UNSW-Team ein Feedback-System entwickelt, das mit vorhandenen Mikroskopen kompatibel ist und maximale Flexibilität bei der Probenvorbereitung bietet.
"Dies ist eine sehr einfache und elegante Lösung für ein großes Bildgebungsproblem. Wir haben einfach ein Mikroskop in ein Mikroskop eingebaut und alles, was wir tun mussten, war, das Hauptmikroskop auszurichten. Die Einfachheit und Praktikabilität der Lösung, die wir gefunden haben, ist ihre wahre Stärke. Es ist einfach, das System zu klonen und neue Technologien schnell zu übernehmen", sagte Prof. Goss.
Um die Nützlichkeit ihres ultrapräzisen Einzelmolekül-Rückkopplungsmikroskops zu demonstrieren, nutzten die Forscher es, um direkte Distanzmessungen zwischen Signalproteinen in T-Zellen durchzuführen. Eine allgemeine Annahme in der zellulären Immunologie ist, dass diese Immunzellen ruhig bleiben, wenn sich der T-Zell-Rezeptor in der Nähe eines anderen Moleküls befindet, das als Bremse fungiert.
Mithilfe ihrer hochpräzisen Mikroskopie konnten sie zeigen, dass die beiden Signalmoleküle in aktivierten T-Zellen tatsächlich weiter voneinander entfernt waren, wodurch die Bremse gelöst und die T-Zell-Rezeptor-Signalisierung aktiviert wurde.
Prof. Goss sagte: „Herkömmliche Mikroskopietechniken wären nicht in der Lage, eine so kleine Veränderung genau zu messen, da der Abstand zwischen diesen Signalmolekülen in ruhenden und aktivierten T-Zellen nur 4-7 Nanometer beträgt.“
„Das zeigt auch, wie empfindlich diese Signalmechanismen auf räumliche Isolation reagieren. Um solche regulatorischen Prozesse zu identifizieren, müssen wir präzise Distanzmessungen durchführen, was dieses Mikroskop ermöglicht. Diese Ergebnisse zeigen, dass sich die Technologie noch in der Entwicklung befindet und auf keine andere Weise hergestellt werden kann.“
