Wetenschappers openen nieuwe horizonten voor cryogene microscopie

EPFL-wetenschappers hebben een nieuw onderzoeksinstrument ontwikkeld voor het observeren van biologische weefselmonsters die zijn bereid met behulp van een methode die ongeveer veertig jaar geleden werd ontdekt door Nobelprijswinnaar Jacques Dubochet, emeritus professor aan de Universiteit van Lausanne. Hun instrument – het enige in zijn soort ter wereld – opent veelbelovende nieuwe wegen voor onderzoek.

Het kostte prof. Anders Meibom en zijn onderzoeksgroep bijna 10 jaar en verschillende prototypes voordat ze het uiteindelijk haalden. Ze zijn er nu in geslaagd een analysemethode te verbeteren die bekend staat als secundaire ionenmassaspectrometrie op nanoschaal (NanoSIMS) door een CryoNanoSIMS-machine te bouwen – een instrument dat de chemische en isotopensamenstelling van verglaasde weefselmonsters kan analyseren.

Het monstervoorbereidingsproces dat ze gebruikten, werd in de jaren tachtig ontwikkeld door de bekende Vaud-biofysicus Jacques Dubochet, die voor die doorbraak de Nobelprijs voor scheikunde in 2017 won. Dat proces, dat de basis vormt van moderne cryogene elektronenmicroscopie, bewaart alle bestanddelen van een biologisch monster in hun meest ongerepte post-mortem staat. De CryoNanoSIMS-machine van de onderzoeksgroep en de mogelijke voordelen worden beschreven in een artikel gepubliceerd in BMC Biologie.

“We zijn nu in staat om beelden te genereren van precies waar in een cel- of weefselmonster een specifieke voedingsstof wordt opgeslagen of gebruikt, of waar een bepaald medicijn binnenkomt – of niet binnenkomt. Er is geen andere manier om deze informatie te verkrijgen”, zegt Meibom , die aan het hoofd staat van het Laboratorium voor Biologische Geochemie aan de EPFL School of Architecture, Civil and Environmental Engineering en die ook professor is aan de Universiteit van Lausanne (UNIL).

Nieuwe onderzoekshorizonten

Met de CryoNanoSIMS-machine kunnen wetenschappers cryogeen geprepareerde biologische weefselmonsters nemen – waarin geen moleculen verloren zijn gegaan of zelfs maar zijn verplaatst – en direct de exacte subcellulaire verdeling observeren van verbindingen die essentieel zijn voor de behandeling van bijvoorbeeld bacteriële infecties en kanker. Wetenschappers kunnen de machine ook gebruiken om de verdeling van sporenelementen in plantenweefsel te visualiseren, wat van cruciaal belang is voor het verbeteren van de plantengroei en gewasproductie en het opsporen van milieuverontreinigingen in bodem en biofilms. En dit alles kan worden gedaan met een subcellulaire ruimtelijke resolutie. “Ons CryoNanoSIMS-instrument creëert geheel nieuwe onderzoeksmogelijkheden”, zegt Meibom.

“In mijn lab zijn we in volle gang met het ontwikkelen van een intensief onderzoeksprogramma rond deze unieke mogelijkheid.” Het CryoNanoSIMS-laboratorium van Meibom is gehuisvest bij UNIL, waar het deel uitmaakt van het Center for Advanced Surface Analysis, een consortium van laboratoria van zowel UNIL als EPFL die ultramoderne apparatuur gebruiken om elementaire en isotopische oppervlakteanalyses uit te voeren voor een breed scala van onderzoeksonderwerpen variërend van geologie tot biologie. Als commentaar op het nieuwe instrument kondigt Dubochet het aan als “een belangrijke uitbreiding van het veld van de biologische chemie”.

Zwitserse precisie

NanoSIMS-technologie zorgde al voor een revolutie op het gebied van beeldvorming toen het ongeveer 20 jaar geleden werd geïntroduceerd. Het houdt in dat een ionenstraal op een monster wordt gericht en produceert beelden met een resolutie van 100 nm. Maar de bijbehorende monstervoorbereidingsmethoden resulteren allemaal in een zekere mate van vervorming van de weefselmorfologie en verlies van oplosbare verbindingen. Om deze obstakels te overwinnen, ontwikkelden Meibom en zijn team een ​​cryogeen proces voor het voorbereiden van monsters en voegden nieuwe fysieke componenten, waaronder een tank met vloeibare stikstof, toe aan een NanoSIMS-machine, zodat deze geschikt is voor cryogene monsters.

“Het was buitengewoon moeilijk om van een instrument dat bij kamertemperatuur werkt een instrument te maken dat bevroren weefselmonsters kan analyseren en het monster urenlang koud en stabiel kan houden. Maar het is gelukt en we kunnen nu geheel nieuwe informatie verkrijgen”, zegt Meibom. “Niets van dit alles zou mogelijk zijn geweest zonder de werktuigbouwkundige vaardigheden van EPFL’s werkplaatsen en van de Zwitserse firma’s waarmee we hebben samengewerkt om de vereiste mate van precisie voor specifieke onderdelen te bereiken.”

Van hydra tot koralen

De auteurs van het onderzoek hebben hun CryoNanoSIMS-methode getest op monsters van Green Hydra, een klein dier dat leeft in zoetwatervijvers en meren, ook in Zwitserland. Met de CryoNanoSIMS konden ze direct observeren hoe dit dier ammonium opneemt en assimileert, een belangrijke voedingsstof voor veel waterorganismen.

De volgende stap zal zijn om de methode toe te passen op koralen – een ander expertisegebied in het laboratorium van Meibom – zodat wetenschappers de symbiosemechanismen tussen algen en koraal kunnen bestuderen en de factoren kunnen bepalen die leiden tot koraalverbleking en dood.