Исследователи Массачусетского технологического института и Института Брода преодолевают дифракционный барьер в микроскопии сверхвысокого разрешения

Исследователи из лаборатории Сэма Пенга (Sam Peng), доцента кафедры химии Массачусетского технологического института (MIT) и сотрудника Института Брода (Broad Institute) Массачусетского технологического института (MIT) и Гарварда (Harvard) разработали инновационную технологию получения изображений с высоким разрешением, которая позволяет ученым визуализировать молекулярные структуры с локализацией на субангстремовом уровне точность — на три порядка выше нанометровых значений стандартных флуоресцентных красителей — при одновременном значительном упрощении процесса получения изображений.

В отличие от традиционных красителей, которые быстро тускнеют при освещении и ограничивают сбор данных, платформа под названием U-STORM (стохастическая оптическая реконструкционная микроскопия с поддержкой преобразования) использует новый класс композиционно модифицированных преобразующих наночастиц (UCNP), которые мигают спонтанно и бесконечно.

Эта работа представляет собой фундаментальный сдвиг как в оптических материалах, так и в биологической визуализации. Описание исследования в открытом доступе было опубликовано 27 июля в журнале Nature Nanotechnology.

Это переворачивает парадигму, существовавшую десятилетиями

На протяжении десятилетий научное сообщество считало, что наночастицы, преобразующиеся с повышением частоты, полностью фотостабильны и не мигают. Поскольку методы микроскопии сверхразрешения, основанные на локализации, такие как STORM, полностью основаны на стохастическом "мигании" (переключении между состояниями "включено" и "выключено") излучателей света для различения плотно упакованных молекул, UCNPs исторически считались неподходящими для этого типа визуализации.

"Наша лаборатория уже давно заинтересована в преодолении этих ограничений", - говорит Пэн. "Наша работа началась с вопроса: можем ли мы разработать платформу для обработки изображений с высоким разрешением, которая одновременно была бы долговременной, многоцветной, простой в эксплуатации и позволяла бы достигать чрезвычайно высокой точности локализации без использования буферов изображений или дополнительного оптического контроля?"

Тщательно контролируя состав наночастиц, команда Массачусетского технологического института (MIT) и Института Брода (Broad Institute) обнаружила, что эти маленькие (~ 10 нм) частицы ядра и оболочки действительно могут спонтанно мигать при непрерывном возбуждении в ближнем инфракрасном диапазоне. Примечательно, что такое мигание продолжается бесконечно долго без необходимости в сложных буферах отображения, поглотителях кислорода или внешней оптической модуляции.

Ключевые достижения U-STORM

Ангстрем - это крошечная единица измерения, используемая химиками для измерения размеров и расстояний на атомном уровне. Способность U-STORM мигать бесконечно долго дала исследователям возможность собрать более 88 000 событий локализации одной и той же частицы, повысив точность локализации до беспрецедентных 0,6 Å.

Unlike conventional multicolor super-resolution imaging, which requires multiple expensive lasers and meticulous optical alignment, U-STORM can operate with just one near-infared laser, which works to simultaneously excite nanoparticles emitting different colors. This results in a drastic reduction of an experiment’s complexity.

To obtain images with multiple colors, rather than capturing images sequentially over multiple rounds, U-STORM captures multiple colors simultaneously. Researchers have successfully demonstrated this by mapping epidermal growth factor receptor dimers and multimers in biological samples under physiological conditions without any specialized imaging buffers.

Broader impact

Beyond expanding the boundaries of microscopy, this research establishes an entirely new design principle for lanthanide nanomaterials. The team is already working to expand the color palette, make the particles even smaller and brighter, and deploy U-STORM to investigate complex nanoscale protein organizations and cellular signaling pathways.

Ultimately, U-STORM promises to provide laboratories worldwide with an accessible, easy-to-implement, yet incredibly powerful route toward high-precision molecular imaging.

>