Ultrasnelle beeldvormingsmethode kenmerkt duizenden moleculen met behulp van camera met één foton

EPFL-onderzoekers hebben een nieuwe beeldvormingsmethode ontwikkeld met behulp van een camera met één foton die duizenden moleculen snel en gelijktijdig kan karakteriseren. Het onderzoek is gepubliceerd in het dagboek Licht: wetenschap en toepassingen.

De nieuwe methode, geïnspireerd door een beeldvormingstechniek die al 35 jaar bestaat, neemt ultrapleciseermetingen van de unieke lichtemissieteken van een molecuul op de schaal van een miljarde van een seconde. Het maakt gebruik van een single-foton lawine diode (SPAD) camera bestaande uit bijna een miljoen kleine sensoren die elk een foton kunnen detecteren.

De gegevens worden geanalyseerd om de fluorescentie -levensduur van een molecuul te bepalen – of de extreem korte vertraging tussen een excitatielaserpuls en de fluorescentie uitgestoten door het molecuul – en dan worden de individuele moleculen in een monster gekenmerkt met een indrukwekkende nauwkeurigheid.

De methode werd ontwikkeld bij EPFL door het Laboratory of Nanoschale Biology (LBEN) in samenwerking met het Advanced Quantum Architecture Laboratory (Aqua), met behulp van een camera ontwikkeld door EPFL spin-off PI-beeldvormingstechnologie. Het markeert een eerste stap in de richting van beeldvormingsprocedures waarmee wetenschappers het gedrag van specifieke moleculen in grote monsters kunnen bestuderen.

Snellere methode zorgt voor snelle analyses van grote eiwitmonsters

In tegenstelling tot conventionele beeldvormingsmethoden detecteert degene die is ontwikkeld door LBEN moleculen op een specifiek tijdstip onmiddellijk nadat ze worden onderworpen aan een excitatiepuls, met resolutie op picosecondeschaal. Het omvat het vastleggen van alternerende reeks afbeeldingen: één onmiddellijk na excitatie en daarna nog een een paar nanoseconden later. De afbeeldingen worden geanalyseerd om de fluorescentie -levensduur van het molecuul te bepalen.

Met de SPAD -camera kunnen wetenschappers in minder dan een minuut precieze informatie verkrijgen over duizenden moleculen – in tegenstelling tot het uur dat nodig is door bestaande technieken. “Onze methode is iets minder nauwkeurig dan conventionele, maar het is sneller en kan een ongekend aantal moleculen tegelijk detecteren”, zegt prof. Aleksandra Radenovic bij LBEN. Deze hogere snelheid kan snelle analyses van grote eiwitmonsters mogelijk maken.

Om de geavanceerde methode te ontwerpen, werkten experts in detectie met één molecuul nauw samen met ingenieurs die gespecialiseerd zijn in camera-ontwikkeling. “Bijvoorbeeld, de frequentie waarmee de originele camera afbeeldingen vastlegde, kwam niet overeen met het tempo van de laserpulsen”, zegt Nathan Ronceray, een LBen -wetenschapper. “Maar onze collega’s van Aqua en de ingenieurs van PI Imaging zijn snel bewogen om het apparaat aan te passen.”

De veelbelovende resultaten van het team kunnen ook PI -beeldvorming ten goede komen, aangezien de sleutel tot het succes van een technologie in een nichemarkt vaak gezamenlijke R&D is met universitaire laboratoria. “We hebben ook gewerkt met het laboratorium van EPFL voor biomoleculaire modellering, onder leiding van Matteo Dal Peraro, en de onderzoeksgroep onder leiding van Guillermo Acuna aan de Universiteit van Friborg. Ze bestuderen respectievelijk membraaneiwitten en DNA Origami,” zegt Ronceray.

Snel de relatieve positie van een molecuul vaststellen

Toen de nieuwe methode van de onderzoekers eenmaal effectief was gebleken, begonnen ze een andere toepassing te verkennen – het bepalen van de afstand tussen moleculen. Ze creëerden een techniek op basis van Förster Resonance Energy Transfer (FRET). Dat verwijst naar het mechanisme waardoor de fluorescentie -levensduur van een “donor” molecuul verandert als een “acceptor” molecuul in de buurt is.

“Het meten van de fluorescentie -levensduur van een paar moleculen geeft informatie over de afstand tussen hen op een schaal van slechts enkele nanometers”, zegt Ronceray. “De huidige benadering kan alleen worden toegepast op kleine monsters, maar ons systeem kan het uitbreiden om de snelle studie van dynamische fenomenen op duizenden moleculen mogelijk te maken.”

De bevindingen van het team openen spannende nieuwe wegen op verschillende gebieden van wetenschap en technologie. “Zoals bij elke techniek, is het moeilijk om het volledige potentieel ervan te voorspellen: het zal waarschijnlijk alleen worden beperkt door verbeelding,” merkt Radenovic op. “Een veelbelovende richting is het potentieel om multiplex -analyses te verbeteren, dwz, om verschillende parameters tegelijkertijd in een enkel monster te meten. Het is waarschijnlijk nuttig in velden zoals ruimtelijke transcriptomica, die gericht is op het meten van genexpressie in een weefsel, terwijl ruimtelijke informatie wordt bewaard: de exacte locatie van cellen of structuren in de weefsel.”

Door de gelijktijdige lezing van veel moleculaire soorten gedurende het hele leven mogelijk te maken, zou de methode kunnen dienen als een krachtige aanvulling op opkomende tools met hoge resolutie omics, gebruikt om de verschillende biologische lagen van een organisme op een uitgebreide en systematische manier te bestuderen, vaak op een cellulaire of moleculaire schaal.