Delftse track-and-trace methode voorspelt maximale scherpte in microscopie

Delfts onderzoek

Al in 2019 gaven Delftse onderzoekers het veld van de superresolutie-microscopie een flinke zet voorwaarts door de precisie van de techniek met ongeveer een factor twee te verbeteren (zie hier). Nu komen zij met een wetenschappelijk artikel dat de fundamentele beperkingen van onderdelen van de superresolutie-microscopie aangeeft. “En we bieden tevens een rekenmethode voor andere onderzoekers om beter overwogen keuzes te maken”, zegt de Delftse promovendus en eerste auteur van de publicatie Dylan Kalisvaart.

De onderzoekers onder leiding van Carlas Smith herzien de fundamenten voor de superresolutie methode genaamd Iterative Single-Molecule Localization Microscopy. Ze gebruiken belichtingspatronen om in te zoomen op individuele moleculen. Daarbij maken ze gebruik van resultaten uit eerdere experimenten om de patronen steeds dichter bij moleculen te plaatsen. Hierdoor is het mogelijk om de scherpte van het beeld te vergroten, precies op de plekken waar moleculen zitten.

Kalisvaart, onderzoeker aan het Delft Center for Systems and Control, vertelt: “We tonen (met de zogenoemde Van Trees ongelijkheid) aan dat resolutieverbetering toe te rekenen is aan voorkennis verkregen uit eerdere experimenten. Hiermee laten wij zien hoe, gegeven de omstandigheden en de voorkennis, de praktische instellingen van een microscoop moeten zijn om het beste resultaat te behalen."

Superresolutie-microscopie

Superresolutie-microscopie is een grensverleggende technologie waarmee onderzoekers in het binnenste van levende cellen kunnen kijken. De techniek maakt gebruik van lichtgevende eiwitten die onder meer in kwallen te vinden zijn. In 2008 kregen drie toponderzoekers de Nobelprijs voor de Chemie voor het ontdekken en ontwikkelen van dit lichtgevende eiwit, GFP (Green Fluorescent Protein) genaamd. Onderzoekers kunnen deze fluorescerende eiwitten met behulp van gen-bewerking aan moleculen vastzetten. Wanneer je zo’n eiwit met een laser beschijnt, geeft het vervolgens een klein beetje licht af.

Met de superresolutie methode Single Molecule Localization Microscopy (SMLM)worden moleculen willekeurig aan- of uitgezet. Gevoelige sensoren maken een video van de lichtsignalen, waarna onderzoekers een analyse maken van de verkregen data. Hierdoor kunnen zij de locatie van de moleculen heel precies bepalen en een reconstructie maken van de celstructuur. Met een gewone optische microscoop kun je op een schaal van ongeveer een halve micron afbeeldingen maken. Met superresolutiemicroscopie kun je dat tien keer zo goed doen.

Ontwikkeling superresolutiemicroscopie

Het veld van de superresolutiemicroscopie ontwikkelde zich het afgelopen decennium razendsnel. In 2014 namen drie andere onderzoekers de Nobelprijs voor de Chemie in ontvangst voor wat bekend kwam te staan als ‘superresolutie-microscopie’. Eén van de drie winnaars was de Duitse onderzoeker Stefan Hell. Onderzoekers van het lab van Hell stelden in 2020 dat Iterative Single-Molecule Localization Microscopy de resolutie veel verder zou verbeteren. De wetenschappers van de TU Delft laten zien dat deze grote resolutieverbeteringen in de praktijk vrijwel onhaalbaar zijn.

Kalisvaart: “In praktische omstandigheden kun je op zijn hoogst een verbetering van ongeveer vijf keer krijgen ten opzichte van de standaardtechniek. Het veld ging er grotendeels vanuit dat het potentieel veel groter was. Wij hebben dit probleem nu voor het eerst via een andere wiskundige (Bayesiaanse) aanpak bekeken en tonen aan dat de resolutieverbeteringen van de groep van Hell in de praktijk lastig te bereiken zijn.”

Zal men de publicatie in Biophysical Journal nu vooral zien als een setback? “Ik kijk daar heel anders tegen aan”, zegt Carlas Smith, de begeleider van Kalisvaart. “Het is essentieel dat de onderliggende wetenschap solide is. Als het hele bouwwerk niet goed is, moet je terug naar de begane grond om het fundament opnieuw te leggen.”