数百万分子在3D中的实时运动

干涉式显微镜的内部。

使用战略的人体免疫缺陷病毒或艾滋病毒，在我们的身体中的战争演变出来超过数百万的年数，使我们自己的蜂窝机抵抗自己。尽管在理解这种疾病方面存在巨大的进步，但仍有重要的差距。多年来，犹他大学的科学家希望有一种方法可以在某种程度上可以实时地与人体细胞与人体细胞相互作用。因此，一个研​​究组开发了一个。

新方法使用干涉测量捕获数百万分子的极高分辨率可视化，其跨粘性凝胶或质膜膜。IPSita Saha，物理博士候选人和潜在研究的主要作者，发展了理论上解释了干涉测量显微镜如何区分两种类型的运动流动和扩散 - 以及她和高级作者Saveez Saffarian的相关分析。该方法使我们更接近可视化分子在实际活细胞中的相互作用。

“已经存在方法，捕获分子在两个维度中的流动和漫射方式。我们希望看到整个蜂窝环境中发生了什么。这些分子如何工作？正在发生什么样的互动？“萨哈表示，犹他大学的细胞和基因组科学中心（CCGS）隶属。

Ipsita Saha（左）和Saveez唱片（右）在显微镜旁边的实验室中。

“到目前为止，我们一直留下来想象这些互动。我们具有非常有限的方法，实际上进入细胞，观察所有这些分子在一起的同时跳舞，“物理学副教授，生物学和联盟委员会的兼职助理教授。“我们真的需要生成可以看看生物分子动态的更高分辨率的方法。”

该研究在2019年12月18日在普罗斯省汇报期刊上发表。

细胞功能就像一个有效的办公室。蛋白质和其他分子进行任务，开发产品，互相沟通并四处移动，甚至将特定的细胞留到更广阔的世界中。运动对于分子来说是至关重要的，以彼此寻找和互动以及它们的环境。本研究旨在区分两种类型的运动：流动和扩散。

分子流动时流动朝向某个方向移动。扩散是当分子随机移动时。要了解细胞或病毒功能如何，重要的是要理解他们如何移动的机制。

“这些分子是否从一个地方携带不同的东西，或者还有其他过程是否正在进行？”萨哈说。“该方法具体可以区分流动和扩散三维。”

研究人员使用了干涉测量学显微镜，测量光线在纳米级上行驶的距离。分子发出作为光波行进的光子，每个光子具有特定幅度和频率。对于实验，显微镜将光束分成两个横梁，向下行驶不同的路径，最终返回相互相遇。这些光束在棱镜中组合，并且在三个相机上成像它们的三个单独的反射。干扰使得如果分子移动80纳米，则其图像被移到不同的相机上。这是极高的分辨率 - 人红细胞横跨约7,000纳米。研究人员测量了体素中的分辨率，其是三维的像素。

Saha和Saffarian创造了一种蔗糖凝胶，注射了传导电子的量子点 - 曼德纳米级晶体。量子点产生显微镜可以检测的信号。通过首先学习量子点如何在凝胶中移动，科学家们验证了它们的技术，然后可以应用于蛋白质在细胞内部移动的方式。它们将凝胶冷却至室温，使物质降低到相机可以捕获的速度。

“你实际上可以看出分子是否正处于特定方向，或者如果它们随机移动。你可以在非常大量的信息的大量横截面上以非常大的横截面做到这一点，这是一个非常丰富的信息，“糖兰说。科学家们使用了U型高性能计算中心，以处理大量数据。

研究人员通过计算波浪将保持其幅度和频率的概率来测量这些光波“记住”彼此的长度。从同一分子发出的光将显示在相机中具有相同的相干性。它们使用关联功能来POUT分子如何移动和何时何。如果分裂光束在单独的路径上行进小于10微米的路径，则记住它们来自同一分子。当光束再次相遇时，它们会随着该知识重新组合。如果他们没有彼此了解，它们在三个相机中的任何一个中有30％的概率。如果他们互相记住，他们有100％的概率在一个相机中出现，但在其他相机中出现的概率为0％。该方法测量同一次从数百万分子发出的光，使得该方法是在细胞和组织中研究流动和扩散的理想选择。

改善技术

虽然该方法检测到粘性凝胶或血浆膜的运动，但是它不能产生跨越实际电池移动的粒子的地图。然而，萨哈和斯派瓦德国现在正在与德国Thermofisher Scientific（Fei）的研究人员合作，以建立一个显微镜的原型，具有更快的探测器，探测器将能够捕获活细胞内的运动。它们是该技术专利申请的一部分，并将分析实验中的数据。

“我们可以使用这种方法来缓慢流程，但在我们的实验室中，我们是某种级别的生物学家。我们希望真正了解生物学的作用，以及所有这些方法的激励如何理解，细胞和组织中分子的疯狂舞蹈是什么，允许真正异国情调的生物学向前发展？为了到达那里，我们需要更快的探测器，“斯派瓦说。

参考：IPSita Saha和Saveez Saffarian，2019年12月18日的“干涉荧光跨相关光谱”，Plos One.doi：
10.1371 / journal.pone.0225797.