Rozwój nowej technologii mikroskopii opartej na mikroukładach kriogenicznych
Nowoczesne mikroskopy pozwalają na obserwację złożonych trójwymiarowych struktur komórek, a nawet cząsteczek z oszałamiającą wyrazistością i szczegółowością. Obserwacja dynamiki w czasie rzeczywistym jest jednak często niemożliwa, ponieważ poszczególne elementy zmieniają się i przemieszczają z dużą szybkością. „Co więcej, niektóre metody, w tym mikroskopia elektronowa, działają tylko w próżni”, wyjaśnia Thomas Burg z Uniwersytetu Technicznego w Darmstadt(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w Niemczech, badacz projektu MICROCRYO(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Oznacza to, że można ich używać dopiero po utrwaleniu próbek, co utrudnia badanie złożonych sekwencji zdarzeń”. Jednym z rozwiązań tego problemu jest błyskawiczne zamrożenie badanej próbki. W tym celu konieczna jest ochrona wody wewnątrz komórek przed tworzeniem się kryształków lodu podczas chłodzenia, co pozwala uniknąć uszkodzenia delikatnych struktur. „Dotychczas stosowane metody pozwalające na osiągnięcie tego celu mają znaczące wady”, dodaje Burg. „Po błyskawicznym zamrożeniu lub zeszkleniu komórek, kolejnym trudnym zadaniem jest dostosowanie różnych zaawansowanych mikroskopów, aby zapewnić ich zgodność z próbką schłodzoną do ponad -200 °C bez szkód dla osiągów”.
Mikroprzepływowa platforma mikroskopowa
Projekt MICROCRYO, wspierany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), miał na celu sprostanie tym wyzwaniom. Celem badaczy było opracowanie nowej platformy technologicznej opartej na technologiach mikroprzepływowych (umożliwiających manipulowanie oraz sterowanie przepływem płynów w mikroskali), w celu przygotowania i obrazowania zamrożonych komórek i małych mikroorganizmów w temperaturach kriogenicznych. Takie rozwiązanie miało umożliwić przeprowadzenie zupełnie nowych doświadczeń, pozwalając badaczom na szczegółową obserwację aktywacji komórek odpornościowych, efektywnego dostarczania leków oraz zmian elastyczności komórek krwi w przebiegu niektórych chorób. „Kluczową innowacją opracowaną w ramach projektu było stworzenie mikrośrodowisk w skali poniżej jednego milimetra, umożliwiających szybkie i precyzyjne kontrolowanie temperatur w zakresie od temperatury pokojowej do temperatur kriogenicznych”, wyjaśnia Burg. „Było to możliwe dzięki technologii mikroukładów - tej samej, która jest wykorzystywana do budowy wielu rodzajów czujników powszechnie stosowanych w produktach konsumenckich, w tym niemal wszystkich telefonach komórkowych czy samochodach”.
Przewaga mikroskopii świetlnej i elektronowej
Burg wraz z zespołem odnieśli sukces w zakresie osłonięcia próbki i utrzymania różnicy temperatur między obiektem a jego otoczeniem, wykorzystując przy tym niewielką moc grzewczą i chłodzącą. Badacze wykorzystali zaawansowaną mikroskopię świetlną i elektronową w celu analizy próbek z wysoką rozdzielczością przed, w trakcie i po ultraszybkim zamrażaniu. Zespół opracował platformę, która umożliwia usprawnienie wybranych procesów, a w niektórych przypadkach także opracowanie ich zupełnie nowych wariantów na potrzeby badania układów biologicznych i niebiologicznych w mikro- i nanoskali, z wykorzystaniem różnych, zwykle niekompatybilnych technik mikroskopowych. „Jednym z kluczowych wyzwań, którym stawiliśmy czoła w ramach projektu, było wykorzystanie zaawansowanych trybów mikroskopii świetlnej, takich jak STED, w zanurzeniu w temperaturze kriogenicznej”, mówi Burg. „Co więcej, technologia ta może być zintegrowana z połączonymi procesami mikroskopii świetlnej i elektronowej. Pozwala to na wykorzystanie zalet obu tych technologii, dzięki czemu możemy czerpać informacje o obiektach ze wszystkich źródeł”.
Techniki badania złożonych i dynamicznych obiektów
Nowa platforma technologiczna pomoże naukowcom w prowadzeniu badań dotyczących wielu dziedzin. Mikroskopia w temperaturze kriogenicznej jest ważnym narzędziem umożliwiającym badanie złożonych, dynamicznych i wrażliwych materiałów wykorzystywanych w biologii syntetycznej, farmakologii, a nawet w zaawansowanych rozwiązaniach na potrzeby akumulatorów. „Naszym zdaniem nowa platforma pomoże zbadać tajniki tych materiałów, ich naturalną strukturę, mechanizmy chorobowe oraz defekty. Pozwoli także na odkrycie sposobów rozwiązywania problemów dzięki skuteczniejszej ochronie i lepszym technikom obrazowania z wysoką wiernością w temperaturach kriogenicznych”, dodaje Burg.
