Delftse onderzoekers rekken grenzen van de lichtmicroscopie op

Het onderzoeksveld van de lichtmicroscopie heeft zich de afgelopen jaren snel ontwikkeld. Door de uitvinding van een techniek genaamd 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. Waar eerder objecten van maximaal 10 tot 20 nanometer in beeld konden worden gebracht, maakt hun methode het mogelijk om scherp stellen op structuren van maar liefst 3 nanometer.

De zelfgemaakte microscopen van de Delftse lakenhandelaar annex wetenschapper Antoni van Leeuwenhoek hadden een resolutie van minder dan een micrometer, waardoor hij onder meer bacteriën en spermacellen kon waarnemen. Van Leeuwenhoek kwam daarmee al in de zeventiende eeuw in de buurt van de zogeheten ‘diffractielimiet’,  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 zou je volgens de theorie maximaal iets in beeld kunt brengen dat half zo groot is als de golflengte van het gebruikte licht. Alles wat kleiner is, kun je volgens de theorie niet scherp krijgen.

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. Niet lang geleden, in 2014, werd de Nobelprijs voor Scheikunde uitgereikt aan de drie onderzoekers die de ‘superresolutie-fluorescentiemicroscopie’ uitvonden. Bij die techniek 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 met het fluorescent maken van eiwitten is alleen dat het in de praktijk niet lukt om álle eiwitten van een bepaalde soort te labelen, maar maximaal 30 tot 50 procent’, vertelt onderzoeker Bernd Rieger. ‘Als je vervolgens gaat meten, zie je een aantal losse, lichtgevende punten, maar niet de volledige structuur die je in beeld probeert te krijgen.’

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,’ vertelt onderzoeker Sjoerd Stallinga. ‘Maar dat is een compleet andere technologie. Het kostte onze promovendus Hamidreza Heydarian twee jaar om de techniek om te bouwen voor lichtmicroscopie.’

Algoritme
Een probleem was ook dat het veel rekenkracht vergt om de data van honderden, zo niet duizenden ‘opnames’ te combineren. Met een normale computer kostte het een aantal dagen om uit alle data een eenduidig beeld op te bouwen. ‘Gelukkig hebben we dankzij de game-industrie de beschikking over grafische kaarten die ontzettend goed parallel kunnen rekenen’, aldus Rieger. Een programmeur van het Amsterdamse eScience Center sloot zich bij het project aan en bouwde een bestaand algoritme voor normale pc’s om tot een algoritme waarmee de onderzoekers op de grafische kaart konden 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’, zegt Stallinga. ‘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.

Meer informatie:
“Template-Free 2D Particle Fusion in Localization Microscopy”, Hamidreza Heydarian, Florian Schueder, Maximilian T. Strauss, Ben van Werkhoven, Mohamadreza Fazel, Keith A. Lidke, Ralf Jungmann, Sjoerd Stallinga en Bernd Rieger, Nature Methods

DOI: 10.1038/s41592-018-0136-6

Contact:

Bernd Rieger
B.Rieger@tudelft.nl
015 27 88574