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Unter Verwendung der Optischen Mikroskopie zum Bild Wendet mit den Auflösungen ein, die so Klein sind wie 0,5 Nm

Published on July 14, 2010 at 8:01 PM

Volksweisheit hält an, dass optische Mikroskopie nicht verwendet werden kann „sehen“ etwas, das so klein ist wie ein einzelnes Molekül. Aber Wissenschaft hat noch einmal Volksweisheit umgeworfen. Minister für Energie, Nobelpreisträger und ehemaliger Direktor des Nationalen Laboratoriums Lawrence Berkeley (Berkeley-Labor) Steven Chu führten die Entwicklung einer Technik, die den Gebrauch von optischer Mikroskopie zu den Bildnachrichten oder dem Abstand zwischen ihnen mit den Auflösungen aktiviert, die - Hälfe von einen Billionsten eines Meters so klein sind wie 0,5 nm, oder eine Größenordnung kleiner als das vorhergehende Beste.

Diagramm auf links zeigt, dass mit der aktiven Feed-backanlage aus es einen Auflösungsantrieb von ungefähr 0,3 Pixeln oder von 19 nm gibt, aber mit der Feed-backanlage auf Auflösung wird an besser als 0,01 Pixeln oder an ungefähr 0,64 nm gewartet. Bild auf Recht zeigt einzelnem Cyanin (Cy) die Moleküle der Leuchtstofffarbe - Cy3 und Cy5 - verwendet, um 20 falsche Paare doppelsträngiger DNS zu beschriften.

„Die Fähigkeit, Unternm Auflösung in den biologisch relevanten wässrigen Umgebungen zu erhalten hat das Potenzial, Biologie zu revolutionieren, besonders strukturelle Biologie,“ sagt Sekretär Chu. „Eine der Motivationen für dieses Arbeit zum Beispiel war, Abstände zwischen Proteinen, die Multigebiet, bilden in hohem Grade komplexe Zellen zu messen, wie die Proteineinheit, die die menschliche Anlage der RNS-Polymerase II bildet, die initialisiert DNS-Übertragung.“

Sekretär Chu ist der Mitverfasser eines Papiers, das jetzt in der Zapfen Natur erscheint, die diese Forschung beschreibt. Das Papier wird betitelt „Subnanometre-einzelmolekül Lokolisierung, Registrierung und Abstandsmaße.“ Die anderen Autoren sind Alexandros Pertsinidis, ein Habilitationsforscher und Bauteil Chus der Forschungsgruppe am University of California (UC) Berkeley, die jetzt ein Assistenzprofessor am Sloan-KetteringInstitut ist, und des Yunxiang Zhang, ein Bauteil Chus der Forschungsgruppe an der Universität von Stanford.

Entsprechend einem Gesetz von Physik bekannt als die „Beugungsgrenze,“ ist das kleinste Bild, das eine optische Anlage lösen kann, über Hälfte Wellenlänge der Leuchte, die verwendet wird, um dieses Bild zu produzieren. Für herkömmliche Optik entspricht dieses ungefähr 200 nm. Durch Vergleich misst ein DNS-Molekül ungefähr 2,5 nm in der Breite.

Während nicht-optische Darstellungsanlagen, wie Elektronenmikroskope, Nachrichten in die subnanometer Schuppe gut lösen können, funktionieren diese Anlagen unter den Bedingungen, die für die Studie von biologischen Proben nicht ideal sind. Das Entdecken von einzelnen Leuchtstoffschildern brachte zu den biologischen Molekülen von Zinsen unter Verwendung der Ladungstransport-Speicher (CCDs) an - Reihen Silizium-Chips, die ankommende Leuchte in eine elektrische Ladung konvertieren, hat Auflösungen so fein wie fünf nm erbracht. Jedoch bis jetzt ist diese Technologie zu den einzelnen Molekülen oder zu den Abständen des Bildes zwischen einem Paar Molekülen viel kleiner als 20 nm nicht imstande gewesen.

Chu und seine Mitverfasser waren in der Lage, die gleiche CCD-Fluoreszenz Technologie einzusetzen, um Abstände mit subnanometer Präzision und Genauigkeit zu lösen, indem sie einen Trick der Leuchte korrigierten. Die elektrische Ladung in einer CCD-Reihe wird, wenn Photonen das Silikon schlagen und Elektronen verdrängen, mit der Stärke der Ladung erstellt, die zur Intensität der Vorfallphotonen proportional ist. Jedoch abhängig von genau, wo ein Photon die Oberfläche eines Silizium-Chips schlägt, es geben kann einen geringfügigen Unterschied bezüglich, wie das Photon absorbiert wird und ob es eine messbare Ladung erzeugt. Diese Ungleichmäßigkeit in der Antwort der CCD-Silikonreihe zu den ankommenden Photonen, die vermutlich ein Artefakt des Chip-Herstellungsverfahrens ist, ergibt ein Verwischen von Pixeln, das es schwierig, zwei Punkte zu lösen macht, die innerhalb einiger nm von gegenseitig sind.

„Wir haben eine aktive Feed-backanlage, die uns erlaubt, das Bild eines einzelnen Leuchtstoffmoleküls überall auf die CCD-Reihe mit Unterpixel Präzision zu legen, die uns der Reihe nach aktiviert, in einer Region zu arbeiten, die als die typische drei Pixel Längeschuppe der CCD-Ungleichmäßigkeit kleiner ist,“ sagen Pertsinidis entwickelt, der der führende Autor auf dem Naturpapier ist. „Mit dieser Feed-backanlage plus den Gebrauch von zusätzlichen optischen Trägern, die Mikroskopanlage zu stabilisieren, können wir eine kalibrierte Region auf der Silikonreihe erstellen, in der der Fehler wegen der Ungleichmäßigkeit auf 0,5 nm verringert wird. Indem wir die Moleküle legen, möchten wir in der Mitte dieser Region messen, die wir subnanometer Auflösung unter Verwendung eines herkömmlichen optischen Mikroskops erreichen können, das Sie in jedem möglichem Biologielabor finden können.“

Chu sagt, dass die Fähigkeit, die Stufe von kleinen Abständen eines Mikroskops zu verschieben und die geometrische Mitte (zentroid) des Bildes zu berechnen es möglich, die Fotoantwort Ungleichmäßigkeit zwischen Pixeln nicht nur zu messen macht, aber, die Ungleichmäßigkeit innerhalb jedes einzelnen Pixels auch zu messen.

„Das Kennen dieser Ungleichmäßigkeit erlaubt uns dann, Korrekturen zwischen der offensichtlichen Stellung und der wirklichen Stellung des Schwerpunkts des Bildes zu machen,“ sagt Chu. „Da diese ungleichmäßige Antwort in die CCD-Reihe aufgebaut wird und nicht von Tag zu Tag ändert, erlaubt unsere aktive Feed-backanlage uns zum Bild wiederholt in der gleichen Stellung der CCD-Reihe.“

Pertsinidis fährt fort, mit Chu und anderen in der Gruppe auf der weiteren Entwicklung und der Anwendung dieser Superauflösung Technik zu arbeiten. Zusätzlich zur menschlichen Anlage der RNS-Polymerase II verwenden er und die Gruppe sie, um die Zelle der Epithel-cadherin Moleküle zu bestimmen, die für den Zelle-zuzellenbeitritt verantwortlich sind, der Gewebe und andere biologische Materialien zusammenhält. Pertsinidis, Zhang und ein anderes postdoc Chus in der Forschungsgruppe, Sangen Ryul-Park, verwenden auch diese Technik, um Maße 3D der molekularen Einteilung innerhalb der Gehirnzellen zu erstellen.

„Die Idee ist, die Zelle zu bestimmen und Dynamik des Bäschenfusionsprozesses, der die Neurotransmittermoleküle freigibt, die durch Neuronen verwendet werden, um miteinander in Verbindung zu stehen,“ sagt Pertsinidis. „Im Augenblick erhalten wir in-situmaße mit einer Auflösung von ungefähr 10 nm, aber wir denken, dass wir diese Auflösung zu innen zwei nm drücken können.“

In einer Zusammenarbeit mit Joe-Grau, verwenden der Stellvertretende Direktor Berkeley-Labors für Biowissenschaften und ein führender Krebsforscher, postdocs Chus in der Forschungsgruppe auch die Superauflösung Technik, um den Anhang von Signalisierenmolekülen auf dem RAS-Protein zu studieren, das mit einigen Krebsen, einschließlich die der Brust, des Pankreas, der Lunge und des Doppelpunktes verbunden worden ist. Diese Forschung könnte helfen, zu erklären, warum Krebstherapien, die an einigen Patienten gute Leistung bringen, auf anderen unwirksam sind.

Zusätzlich zu seinen biologischen Anwendungen sagen Pertsinidis, Zhang und Chu in ihrem Naturpapier, dass ihre Superauflösung Technik Wertsache auch prüfen sollte, um Darstellungsanlagen der Präzision in der Atomphysik oder in der Astronomie zu kennzeichnen und zu konstruieren photometrische und lassen neue Hilfsmittel in der optischen Lithographie und im nanometrology zu.

Diese Forschung wurde durch die Nationalen Institute der Gesundheit, die National Science Foundation, die NASA und das Defense Advanced Research Projects Agency unterstützt.

Last Update: 12. January 2012 00:14

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