Fluorescentiemicroscopie met de hoogste ruimtelijke en temporele resolutie

LMU-onderzoekers vereenvoudigen de MINFLUX-microscoop en zijn erin geslaagd moleculen die extreem dicht bij elkaar staan ​​te differentiëren en hun dynamiek te volgen.

Slechts een paar jaar geleden werd een ogenschijnlijk fundamentele resolutielimiet in optische microscopie overtroffen – een doorbraak die in 2014 leidde tot de Nobelprijs voor de chemie voor superresolutie microscopie. Sindsdien is er op dit gebied weer een enorme sprong voorwaarts gemaakt, waardoor de resolutielimiet verder is verlaagd tot het moleculaire niveau (1 nm).

Wetenschappers van LMU München en de Universiteit van Buenos Aires zijn er nu in geslaagd onderscheid te maken tussen moleculen die extreem dicht bij elkaar staan ​​en zelfs hun dynamiek onafhankelijk van elkaar te volgen.

Dit werd bereikt door de nieuwe p-MINFLUX-methode door de recent ontwikkelde MINFLUX-microscoop die nodig is voor een resolutie van 1 nm te verfijnen en te vereenvoudigen. Extra functies maken het ook mogelijk om de soorten waargenomen moleculen te onderscheiden. De p-MINFLUX-methode vraagt ​​de locatie van elk fluorescerend gelabeld molecuul door een laserfocus dicht bij het molecuul te plaatsen. De fluorescentie-intensiteit dient als maat voor de afstand tussen het molecuul en het centrum van de laserfocus. De exacte positie van het molecuul kan dan worden verkregen via triangulatie door systematisch het centrum van de laserfocus te veranderen ten opzichte van het molecuul.

De groepen onder leiding van professor Philip Tinnefeld (LMU) en professor Fernando Stefani (Buenos Aires) intercaleerden de laserpulsen op tijd zodat ze met de hoogst mogelijke snelheid konden schakelen tussen de brandpuntposities. Bovendien werd door het gebruik van snelle elektronica een temporele resolutie in het bereik van picoseconden bereikt, die overeenkomt met elektronische overgangen binnen de moleculen. Met andere woorden, de grenzen van de microscoop worden uitsluitend bepaald door de fluorescentie-eigenschappen van de gebruikte kleurstoffen.

In de huidige publicatie zijn de wetenschappers erin geslaagd aan te tonen dat de nieuwe p-MINFLUX-methode de lokale verdeling van de fluorescentie-levensduur – de belangrijkste meetvariabele om de omgeving van kleurstoffen te karakteriseren – mogelijk maakt met een resolutie van 1 nm. Philip Tinnefeld legt uit: “Met p-MINFLUX wordt het mogelijk om structuren en dynamica op moleculair niveau bloot te leggen die fundamenteel zijn voor ons begrip van energieoverdrachtsprocessen tot biomoleculaire reacties.”

Dit project werd gefinancierd door de Duitse Onderzoeksstichting (Cluster of Excellence e-conversie, SFB1032), de Raad voor Wetenschappelijk en Technologisch Onderzoek (CONICET) en het Nationaal Agentschap voor de bevordering van onderzoek, technologische ontwikkeling en innovatie (ANPCYT) in Argentinië. Prof. Stefani is de Georg Forster-prijswinnaar van de Alexander von Humboldt Foundation en, in deze rol, een vaste gastwetenschapper in fysische chemie aan LMU München.