Met een nieuwe fluorescentiemicroscooptechniek kunnen wetenschappers ongekend ver inzoomen. Door lichtgevende labels in het object onder de microscoop te verversen, is er meer licht beschikbaar en kunnen wetenschappers langer en preciezer naar dezelfde plek kijken.
Een nieuwe techniek voor de fluorescentiemicroscoop kan twee punten van elkaar onderscheiden die slechts 0,85 nanometer uit elkaar staan. Die afstand is ruim 100.000 keer kleiner dan de dikte van een menselijke haar. Met die resolutie kunnen wetenschappers de afstand tussen DNA-baseparen in beeld brengen. Voorgaande methodes kwamen niet verder dan een resolutie van 10 nanometer.
De techniek kreeg de naam Resolution Enhancement by Sequential Imaging (RESI) en vereist geen nieuwe apparatuur. Met RESI kunnen wetenschappers onder andere in beeld brengen hoe een medicijnmolecuul zich gedraagt en vervormt in een cel. RESI zou op deze manier belangrijke inzichten kunnen opleveren over hoe complexe biologische systemen op moleculair niveau werken.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
Uitgeputte labels
Fluorescentiemicroscopie is een soort microscopie die werkt met behulp van kleine lichtgevende labels. Die labels plakken vast aan een specifiek onderdeel van bijvoorbeeld een cel, zoals een bepaald eiwit of DNA-basepaar. Die labels geven licht bij bestraling door de microscooplamp, net zoals een UV-lamp witte kleding doet oplichten.
Nadat het label voor een bepaalde tijd gefluoresceerd heeft, raakt het uitgeput. Wanneer je heel ver inzoomt, zijn de labels al uitgeput voordat ze genoeg licht hebben afgegeven voor een scherp beeld. Dat is alsof je een foto maakt van de sterrenhemel met een te korte sluitertijd.
Labels vervangen
Daar brengen de wetenschappers van het Duitse Max Planck-instituut voor Biochemie en de Ludwig-Maximilians Universiteit in München nu verandering in. Door hun RESI-techniek kunnen uitgeputte fluorescente labels nu vervangen worden. Zo kunnen wetenschappers de beeldopnames van de steeds vernieuwde fluorescente labels over elkaar leggen (sequential imaging) om twee heel dicht bij elkaar gelegen punten te kunnen onderscheiden.
Met de RESI techniek kunnen wetenschappers in theorie oneindig vaak nieuwe labels hangen aan hetgeen waar ze naar kijken. Met die berg aan fluorescent licht ontstaat er een supergedetailleerd beeld, met een resolutie van 0,85 nanometer.
Uitgezoomd
Hoewel je de labels oneindig vaak kunt vervangen, kun je hierdoor niet oneindig inzoomen. Een fluorescent label heeft namelijk zelf ook een bepaalde grootte. Wanneer de labels van twee punten die je wilt onderscheiden, groter zijn dan de afstand tussen die punten, kun je die afstand nooit inschatten. Stel je voor dat iemand twee opgeblazen ballonen vastmaakt aan twee vingers van dezelfde hand. Van een afstandje kun je op basis van die ballonnen nooit zien of ze aan de wijs-, ring-, of middelvinger zitten. Daarvoor zijn de ballonnen te groot.
De scherpte van de microscoop is nu niet meer gelimiteerd door de hoeveelheid licht, maar alleen nog door de grootte van de labels. Bij deze techniek gebruiken wetenschappers dan ook uitzonderlijk kleine fluorescente labels.
Medicijnonderzoek
Een fluorescentiemicroscoop kan met de RESI-techniek nooit zo ver inzoomen als een elektronenmicroscoop. Zo’n microscoop komt tot een resolutie van ongeveer 0,1 nanometer, ruimt acht keer zo scherp als met RESI mogelijk is. Maar het voordeel van een fluorescentiemicroscoop is dat je werkt met labels. Door die labels weet je exact waar je naar kijkt: namelijk naar het molecuul waar dit specifieke label aan blijft hangen.
De techniek is dan ook goed nieuws voor bijvoorbeeld het onderzoek naar de werking van medicijnen. De onderzoekers beschrijven de precieze werking van een veelgebruikt medicijn (rituximab) om dit te demonstreren. Specifiek keken de onderzoekers naar hoe het medicijn zich verbond met de membraanreceptor die het medicijn moet bereiken. Weten hoe dat proces werkt, stelt onderzoekers in staat om de werking van medicijnen beter te doorgronden en wellicht te manipuleren.
Pietje precies
‘Deze techniek is een heel slimme manier om het signaal van een fluorescent label te versterken. Dit soort resoluties heb ik nog niet eerder gezien’, zegt microscopist Joost Willemse van de Universiteit Leiden. ‘Ik denk niet dat er nog andere technieken mogelijk zijn waarmee je met fluorescente labels zo goed in kan zoomen.’
Wel benadrukt hij dat de techniek voor veel soorten onderzoek niet geschikt is, doordat de labels zo klein moeten zijn. ‘Waarschijnlijk kunnen fysici dit gebruiken voor de echt kleine details, zoals het bekijken van de werking van medicijnen in een cel op moleculair niveau.’
