Record-Breaking Teknik Optik Resolusi tinggi MEMUTUSKAN Objek sebagai kecil sebagai 0,5 nanometer

kebijaksanaan konvensional menyatakan bahwa mikroskop optik tidak dapat digunakan untuk "melihat" sesuatu yang kecil sebagai molekul individu. Tapi sekali lagi ilmu terbalik kebijaksanaan konvensional. Menteri Energi, pemenang Hadiah Nobel dan mantan direktur Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) Steven Chu memimpin perkembangan teknik yang memungkinkan penggunaan mikroskop optik untuk objek foto atau jarak antara mereka dengan keputusan sekecil 0,5 nanometer - - satu-setengah dari satu miliar dari satu meter, atau urutan besarnya lebih kecil daripada sebelumnya yang terbaik.



"Kemampuan untuk mendapatkan resolusi sub-nanometer di lingkungan air yang relevan secara biologis memiliki potensi untuk merevolusi biologi, khususnya biologi struktural," kata Sekretaris Chu. "Salah satu motivasi untuk pekerjaan ini, misalnya, adalah untuk mengukur jarak antara protein yang membentuk multi-domain, struktur yang sangat kompleks, seperti perakitan protein yang membentuk sistem RNA polimerase manusia II, yang memulai transkripsi DNA."
Sekretaris Chu adalah co-penulis kertas sekarang muncul di jurnal Nature yang menggambarkan penelitian ini. Para penulis lain Alexandros Pertsinidis, seorang peneliti pasca-doktoral dan anggota kelompok riset Chu di University of California (UC) Berkeley, yang kini menjadi asisten profesor di Institut Sloan-Kettering, dan Yunxiang Zhang, anggota penelitian Chu kelompok di Stanford University.
Menurut hukum fisika yang dikenal sebagai batas difraksi "," gambar terkecil yang sistem optik dapat mengatasi adalah sekitar setengah panjang gelombang cahaya yang digunakan untuk menghasilkan citra tersebut. Untuk optik konvensional, ini berhubungan dengan sekitar 200 nanometer. Sebagai perbandingan, sebuah molekul DNA ukuran sekitar 2,5 nanometer lebar.
Sementara sistem pencitraan non-optik, seperti mikroskop elektron, dapat menyelesaikan dengan baik ke obyek skala subnanometer, sistem ini beroperasi dalam kondisi tidak ideal untuk penelitian sampel biologis. neon individu Mendeteksi label yang melekat pada molekul biologi bunga melalui biaya-coupled device (CCD) - array dari chip silikon yang mengkonversi cahaya yang masuk ke muatan listrik, telah menghasilkan resolusi setipis lima nanometer. Namun, sampai sekarang teknologi ini belum mampu gambar molekul tunggal atau jarak antara sepasang molekul jauh lebih kecil dari 20 nanometer.
Chu dan rekan-penulis mampu menggunakan teknologi CCD-fluoresensi yang sama untuk menyelesaikan jarak dengan presisi dan akurasi oleh subnanometer mengoreksi tipuan cahaya. Biaya listrik di sebuah array CCD dibuat ketika foton pemogokan dan elektron silikon mengusir, dengan kekuatan dari biaya yang sebanding dengan intensitas foton insiden. Namun, tergantung tepat di mana foton hits permukaan chip silikon, bisa ada sedikit perbedaan dalam cara foton diserap dan apakah menghasilkan biaya terukur. Keseragaman ini non-respon dari array silikon CCD untuk foton masuk, yang mungkin merupakan artefak dari proses manufaktur chip, menghasilkan kabur dari piksel yang membuat sulit untuk menyelesaikan dua poin yang dalam beberapa nanometer satu sama lain .
"Kami telah mengembangkan sistem umpan balik aktif yang memungkinkan kita untuk menempatkan gambar molekul fluorescent tunggal manapun pada CCD array dengan ketepatan sub-pixel, yang pada gilirannya memungkinkan kita untuk bekerja di wilayah yang lebih kecil daripada panjang khas tiga skala pixel dari keseragaman non-CCD, "kata Pertsinidis, yang merupakan penulis utama pada kertas Alam. "Dengan sistem umpan balik ini ditambah penggunaan optik tambahan balok untuk menstabilkan sistem mikroskop, kita dapat membuat daerah dikalibrasi pada array silikon mana kesalahan karena non-keseragaman berkurang dengan 0,5 nanometer. Dengan menempatkan molekul kita ingin mengukur di tengah daerah ini kita bisa mendapatkan resolusi subnanometer menggunakan mikroskop optik konvensional yang dapat Anda temukan dalam laboratorium biologi. "
Chu mengatakan bahwa kemampuan untuk memindahkan tahap mikroskop kecil dan menghitung jarak pusat geometris (centroid) dari gambar memungkinkan tidak hanya mengukur foto-respons non-keseragaman antara pixel, tetapi juga untuk mengukur keseragaman non- dalam setiap piksel individu.
"Mengetahui hal ini keseragaman-non kemudian memungkinkan kita untuk melakukan koreksi antara posisi jelas dan posisi nyata centroid gambar itu," kata Chu. "Karena respon non-seragam yang dibangun ke dalam array CCD dan tidak berubah dari hari ke hari, sistem umpan balik aktif kami memungkinkan kami untuk gambar berulang kali pada posisi yang sama dari array CCD."
Pertsinidis terus bekerja dengan Chu dan lain-lain dalam kelompok pada pengembangan lebih lanjut dan penerapan teknik super-resolusi. Selain sistem RNA polimerase manusia II, ia dan kelompok yang menggunakannya untuk menentukan struktur molekul cadherin Epitel yang bertanggung jawab atas adhesi sel ke sel yang memiliki jaringan dan bahan biologis lain bersama-sama. Pertsinidis, Zhang, dan lain pascadoktoralnya dalam kelompok riset Chu, Sang Ryul Park, juga menggunakan teknik ini untuk membuat pengukuran 3D dari organisasi molekul di dalam sel-sel otak.
"Idenya adalah untuk menentukan struktur dan dinamika proses fusi vesikel yang melepaskan molekul neurotransmiter yang digunakan oleh neuron untuk berkomunikasi dengan satu sama lain," kata Pertsinidis. "Sekarang kami sedang mendapatkan dalam pengukuran in situ dengan resolusi sekitar 10 nanometer, tapi kita berpikir kita bisa mendorong resolusi ini ke dalam dua nanometer."
Dalam kolaborasi dengan Joe Gray, Berkeley Lab Associate Director for Life Sciences dan peneliti kanker terkemuka, postdocs dalam kelompok penelitian Chu juga menggunakan teknik super-resolusi untuk mempelajari lampiran sinyal molekul pada protein RAS, yang telah dikaitkan dengan sejumlah kanker, termasuk payudara, pankreas, paru-paru dan usus. Penelitian ini bisa membantu menjelaskan mengapa kanker terapi yang melakukan dengan baik pada beberapa pasien tidak efektif pada orang lain.
Selain aplikasi hayati yang ada, Pertsinidis, Zhang dan Chu di kertas Alam mereka mengatakan resolusi super-teknik mereka juga harus membuktikan berharga karakterisasi dan merancang sistem pencitraan fotometri presisi dalam fisika atom atau astronomi, dan memungkinkan perangkat baru dalam litografi optik dan nanometrology .
Penelitian ini didukung oleh National Institutes of Health, National Science Foundation, dan National Aeronautics Space Administration, dan Pertahanan Advanced Research Projects Agency.