Levande bakterie avbildad med ”superkamera”

Ett internationellt team lett av forskare vid Uppsala universitet har för första gången lyckats avbilda intakta levande bakterier med en röntgenlaser. Tekniken, som nu beskrivs i tidskriften Nature Communications, kan ge forskare en tydligare inblick i cellens komplexa värld.

- Om du verkligen vill förstå en cells funktioner måste den vara vid liv, säger professor Janos Hajdu vid Uppsala universitet, en av de ledande forskarna i försöket.

Med den metod forskarna använts i detta experiment kan upplösning i både tid och rum bli bättre än med de bästa optiska mikroskopiteknikerna. Tekniken innebär att en fin aerosol av celler beskjuts med ljuspulser från en röntgenlaser. Aerosolen är bokstavligen en stråle av levande celler och är tunnare än ett hårstrå. De ultrakorta röntgenpulserna sprids från enskilda celler, vilket resulterar i ett distinkt spridningsmönster som registreras av en snabb detektor. Dessa data analyseras sedan med datorprogram utvecklade i Uppsala och bilder av cellerna kan rekonstrueras.

Röntgenstrålar förstör cellerna men röntgenlaserns ultrakorta pulser och höga intensitet tillåter så snabb datainsamling att man får en korrekt bild av provet innan det sönderfaller. Denna teknik, som kallas "diffraction before destruction", har tidigare visat sig fungera med både organiska och oorganiska prover.

Experimentet utfördes vid röntgenlasern LCLS vid Stanford Linear Accelerator Center i Kalifornien. Två typer av cyanobakterier, Cyanobium gracile och Synechococcus elongatus, användes i studien. Dessa celler har en nästan cylindrisk form, som tydligt framträder i rekonstruktion från diffraktionsdata.

Enligt Tomas Ekeberg, forskare i molekylär biofysik vid Uppsala universitet och ledare för experimentet, kunde bilderna ha varit ännu bättre om data hade kunnat hanteras bättre av detektorerna.

- Hittills har vi endast lyckats rekonstruera celler med en upplösning på 76 nanometer (=miljondels millimeter), men de data vi samlat in visar att vi kan komma ner till 4 nanometer, vilket betyder att vi skulle kunna urskilja enskilda proteiner, som är av den storleken, säger Tomas Ekeberg.

Anledningen till den mindre lägre upplösningen är överexponering, påpekar Tomas Ekeberg, precis det som händer när man fotograferar i för starkt ljus. Detta kommer att kunna rättas till vid kommande experiment.

- Vi kommer att kunna nå mycket högre upplösning när vi kan använda ett filter för att minska överexponeringen, tillägger Gijs van der Schot, doktorand och huvudförfattare till publikationen.

Fram tills nu har högupplöst avbildning inneburit nedfrysning av cellerna och en hög stråldos som gör att de dör under datainsamling. Ofta har cellerna även täckts med ett tunt lager metall för att få bättre kontrast. Statiska bilder av celler kräver också normalt sätt långa exponeringstider.

Forskargruppens nya metod kan fånga strukturen hos levande celler i stort sett momentant. Varje bild tar endast några femtosekunder (en femtosekund är en miljondels miljarddel av en sekund). Ett sådant verktyg skulle kunna hjälpa forskare att bättre förstå hittills okända detaljer i cellers funktion och beteende.

- Processer som celldelning och proteinveckning skulle kunna observeras under tiden de sker. Dessutom öppnar tekniken för framtida 3D-modellering av processer i cellen, vilket skulle kunna ge viktiga insikter i komplicerade sjukdomsförlopp, förklarar Tomas Ekeberg.

Teamet planerar nu att finjustera avbildningsmetoden med ytterligare experiment och hoppas kunna ta bilder med betydligt högre upplösning.

- Det är en enorm skillnad mellan bilder som produceras med hjälp av denna teknik och de från traditionell optisk mikroskopi av levande celler, säger Janos Hajdu. Få trodde att detta var möjligt.

Referens: Imaging Single Cells in a Beam of Live Cyanobacteria with an X-ray Laser. Nature Communications. DOI 10.1038/ncomms6704

För mer information, vänligen kontakta Tomas Ekeberg, mobil: 073-6923049, e-post: ekeberg@xray.bmc.uu.se, eller Janos Hajdu, mobil: 0736-270100, e-post: janos@xray.bmc.uu.se eller Gijs van der Schot: 073-8760408, e-post: gijs@xray.bmc.uu.se