Grenzen van de lichtmicroscopie opgerekt

Het onderzoeksveld van de lichtmicroscopie heeft zich de afgelopen jaren snel ontwikkeld. Door de uitvinding van de zogenaamde superresolutie-fluorescentiemicroscopie kunnen sinds kort zelfs de kleinere onderdelen van een levende cel in beeld worden gebracht. Met een slimme aanpassing aan de superresolutie-techniek hebben onderzoekers van de TU Delft de grenzen van wat mogelijk is nu nog verder opgerekt. Met hun methode is het mogelijk om scherp stellen op structuren van 3 nanometer.

Diffractielimiet

De diffractielimiet is een theoretische grens waarop twee naast elkaar gelegen punten nog te zien zijn met behulp van een lichtmicroscoop. De diffractielimiet wordt mede bepaald door de golflengte van het licht. Met een conventionele lichtmicroscoop kan men volgens de theorie nog iets in beeld kunt brengen dat half zo groot is als de golflengte van het gebruikte licht. Alles wat kleiner is, kan niet scherp worden afgebeeld.
 

Fluorescent

De diffractielimiet leek lange tijd een harde grens te zijn, bepaald door de natuurwetten. Maar door slimme trucs toe te passen lukte het natuurkundigen toch om onder de theoretische limiet te duiken. Bij de superresolutie-fluorescentiemicroscopie worden bepaalde eiwitten of moleculen met behulp van genetische modificatie fluorescerend gemaakt. Het zwakke lichtsignaal dat ze uitzenden kan vervolgens worden opgevangen met behulp van een lichtmicroscoop. Het probleem is echter dat het in de praktijk niet lukt om alle eiwitten van een bepaalde soort te labelen, maar maximaal 30 tot 50 procent. Men ziet dan een aantal losse, lichtgevende punten, maar niet de volledige structuur.
Om dit probleem op te lossen hebben de Delftse onderzoekers een aanpassing bedacht op de superresolutie-microscopie die te vergelijken is met wat in de fotografie ‘compositing’ wordt genoemd: het op elkaar stapelen van meerdere foto’s om zo een samengesteld beeld te krijgen. Het middelen van de informatie van verschillende metingen werd al gedaan in de elektronenmicroscopie, maar dat is een compleet andere technologie. Het kostte twee jaar om de techniek om te bouwen voor lichtmicroscopie.

Grafische kaart

Een probleem was ook dat het veel rekenkracht vergt om de data van honderden, zo niet duizenden ‘opnames’ te combineren. Dankzij de game-industrie zijn nu echter grafische kaarten beschikbaar die ontzettend goed parallel kunnen rekenen. Het resultaat is dat de metingen nu binnen een paar uur tot één beeld kunnen worden gecombineerd.
Het onderzoek brengt de elektronenmicroscopie en de lichtmicroscopie dichter bij elkaar. Dat is belangrijk omdat beide technieken verschillende inzichten opleveren en dus complementair zijn, maar qua mogelijkheden nog ver uit elkaar liggen. De beste elektronenmicroscopen zijn 30 tot 50 keer krachtiger dan de beste lichtmicroscopen. Het dichter bij elkaar brengen van de twee werelden zou kunnen leiden tot nieuwe biologische inzichten.
Volgens de onderzoekers moet het met hun techniek, die nu het niveau van de 3 nanometer haalt, ook mogelijk zijn om structuren ter grootte van 1 nanometer in beeld te brengen. Daaronder worden de afmetingen van de fluorescerende labels een beperkende factor.

De bevindingen van de onderzoekers zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Methods.