Neue Mikroskopie-Methode erreicht mit einem Laser eine Lokalisierungsgenauigkeit im Angstromskala

Eine bahnbrechende Weiterentwicklung in der Super-Auflösungs-Mikroskopie wurde von Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und des Broad Institute of MIT und Harvard erreicht. Eine neue Technik, bekannt als U-STORM, ermöglicht es Wissenschaftlern, mit einem einzigen Laser eine Lokalisierungspräzision im Angstrom-Maßstab zu erreichen, was einen großen Sprung auf dem Gebiet der molekularen Bildgebung darstellt. Die Innovation, die im Labor von Sam Peng, der Pfizer Inc, Gerald Laubach Career Development Assistant Professor für Chemie am MIT, entwickelt wurde, führt einen neuartigen Ansatz für die Super-Auflösungs-Bildgebung ein.

Diese Methode nutzt eine einzigartige Klasse von upconverting nanoparticles (UCNPs), die spontane und unbestimmte Blinken unter kontinuierlicher Nahinfrarot-Erregung aufweisen. Im Gegensatz zu herkömmlichen fluoreszierenden Farbstoffen, die sich schnell abbauen und die Datenerfassung einschränken, bieten diese konstruierten Nanopartikel eine verbesserte Stabilität und Langlebigkeit. Die Technik, die in einem Open-Access-Papier beschrieben wurde, das am 27. Juli in Nature Nanotechnology veröffentlicht wurde, stellt eine transformative Lösung für hochpräzise biologische Bildgebung dar.

Seit Jahren glaubte die wissenschaftliche Gemeinschaft, dass upconverting-Nanopartikel von Natur aus fotostabil sind und nicht blinken, was sie für lokalisierungsbasierte Super-Resolution-Techniken wie STORM ungeeignet macht. Diese Methoden hängen vom zufälligen Schalten von Lichtemittenten ab, um eng voneinander entfernte Moleküle zu differenzieren. Das MIT- und Broad-Institut-Team stellte diese Annahme jedoch in Frage, indem es untersuchte, wie die Nanopartikelzusammensetzung ihre optischen Eigenschaften beeinflussen könnte. Durch sorgfältige Manipulation der Nanopartikelzusammensetzung entdeckten die Forscher, dass kleine, ~10 nm Kern-Schale-Partikel unter nahen Infrarot-Erregung kontinuierlich blinken lassen könnten.

Dieses Blinken dauert unbegrenzt an, ohne komplexe Bildgebungspuffer, Sauerstoffsammler oder externe optische Steuerungen zu benötigen. Diese Entdeckung hat einen langjährigen Glauben auf den Kopf gestellt und neue Möglichkeiten für fortschrittliche Bildgebungsanwendungen eröffnet. Einer der Hauptvorteile von U-STORM liegt in seiner Einfachheit und Effizienz. Traditionelle Mehrfarben-Super-Auflösungs-Bildgebung erfordert typischerweise mehrere Laser und komplizierte optische Einstellungen. Im Gegensatz dazu arbeitet U-STORM mit einem einzigen nahen Infrarot-Laser, der gleichzeitig Nanopartikel, die verschiedene Farben emittieren, erregt. Diese Vereinfachung reduziert die experimentelle Komplexität erheblich, während die hochauflösenden Fähigkeiten beibehalten werden.

Die Fähigkeit der Technik, mehrere Farben gleichzeitig einzufangen, hat es den Forschern ermöglicht, biologische Strukturen wie epidermale Wachstumsfaktorrezeptordimere und Multimere in lebenden Zellen unter normalen physiologischen Bedingungen zu kartieren. Diese Experimente wurden ohne die Notwendigkeit spezieller Bildgebungspuffer durchgeführt, was die Praktikabilität und Robustheit der Methode demonstriert. Die Auswirkungen dieser Forschung gehen weit über die Mikroskopie hinaus. Durch die Etablierung eines neuen Designprinzips für Lanthanid-Nanomaterialien eröffnet die Arbeit Wege für weitere Fortschritte in der Nanotechnologie.

Das Team arbeitet derzeit daran, den Farbbereich der Nanopartikel zu verbessern, ihre Helligkeit zu erhöhen und ihre Größe zu reduzieren. Darüber hinaus zielen sie darauf ab, U-STORM zur Untersuchung komplexer Proteinarrangements auf Nanoskala und zellulärer Signalwege anzuwenden, was möglicherweise zu tieferen Einblicken in biologische Prozesse auf molekularer Ebene führt. Mit fortschreitender Forschung wächst das Potenzial für eine breite Einführung von U-STORM in Laboratorien auf der ganzen Welt.

Mit der fortgesetzten Verfeinerung könnte U-STORM die Art und Weise revolutionieren, wie Forscher die komplizierten Mechanismen erforschen, die dem Leben auf den kleinsten Ebenen zugrunde liegen.