La qualité d'image fait souvent la différence entre une expérience multimédia incroyable, comme se sentir immergé dans un film haute définition et une déception visuelle. En ce qui concerne l'imagerie biomoléculaire, les détails comptent encore plus. Lorsque les scientifiques augmentent la résolution de l'imagerie quantitative, ils améliorent la précision et la confiance dans les résultats, facilitant finalement les découvertes dans les études de protéines, de cellules et d'autres applications biomédicales.
Les scientifiques ont depuis longtemps pu examiner les molécules uniques pour étudier leurs structures et dynamiques à l'échelle nanométrique dans les systèmes biologiques. Cependant, la distinction entre deux émetteurs dipolaires étroitement espacés, qui sont des molécules fluorescentes qui peuvent émettre de la lumière dans des directions et des intensités spécifiques, est resté un défi majeur, en particulier lorsque de telles molécules émettent de la lumière en même temps et sont spatialement coïnciformes, ou situées au même moment dans l'espace.
Cette limitation a gêné la capacité des chercheurs à mesurer avec précision l'orientation et la séparation angulaire des dipôles, ce qui est essentiel pour comprendre leur dynamique de rotation dans les environnements cellulaires surpeuplés.
Nouvelles recherches publiées dans Lettres d'examen physique De Matthew Lew, professeur agrégé d'ingénierie électrique et des systèmes à la McKelvey School of Engineering de l'Université de Washington à St. Louis, et le premier auteur Yiyang Chen, un étudiant diplômé du programme de doctorat en sciences d'imagerie de Washu, prouve qu'il est impossible de distinguer deux molécules dipolaires coïncidentes à partir d'une seule molécule de polarisation existante.
Pour résoudre ce problème, Lew et Chen ont combiné deux méthodes, manipulant la polarisation du laser d'éclairage et mesurant la polarisation de la fluorescence collectée, pour discriminer entre les paires et les molécules uniques. Leur technique combinée améliore également la précision dans la mesure de l'orientation relative entre les paires de molécules.
« La structure détermine toujours la fonction », a déclaré Chen. « Les structures de protéines et d'autres biomolécules sont les raisons sous-jacentes derrière les comportements des cellules. Par exemple, lorsque les anticorps reconnaissent les antigènes viraux, ils doivent trouver un moyen de` `se rencontrer '' et d'interagir les uns avec les autres, ce qui dépend de leurs orientations relatives.
Au début du projet, Chen et Lew avaient supposé que les microscopes de polarisation pouvaient résoudre deux molécules fluorescentes à proximité en mesurant la polarisation de la lumière qu'ils émettent, mais cela s'est avéré mathématiquement impossible, même avec des techniques d'imagerie de pointe.
Ils ont élaboré les détails mathématiques pour démontrer que les paires dipolaires produisent toujours des images identiques à celles d'un seul dipôle rotatif. De plus, l'équipe a découvert que la combinaison d'un éclairage polarisé et de la détection de fluorescence polarisée en une seule nouvelle technique pourrait surmonter la confusion et produire des images uniques pour une contre deux molécules.
La méthode de l'équipe améliore la précision de la mesure de l'orientation d'une molécule dipolaire de 50% et augmente la précision de mesure de séparation angulaire de deux à quatre fois par rapport aux méthodes traditionnelles.
Cette amélioration spectaculaire est remarquable dans le domaine bien établi de la microscopie d'orientation et maintient le potentiel de transformer la façon dont la dynamique moléculaire est étudiée, en particulier dans les systèmes biologiques vivants où l'observation en temps réel est critique, a déclaré Lew.
« Pour faire avancer la science, les détails comptent », a déclaré Lew. « Dans le passé, il a été pratique de considérer les molécules fluorescentes comme des points parce que c'est plus simple, mais à l'échelle nanométrique, la pensée des molécules comme des dipôles est essentielle pour mesurer correctement la direction et l'intensité de la lumière qu'ils émettent.
« De même, les biomolécules ne sont pas des sphères, donc en utilisant notre technologie, les dipôles fluorescents nous permettent de mesurer les orientations biomoléculaires et les conformations protéiques qui ont un impact énorme sur les processus biologiques », a ajouté Lew. « En résolvant les structures et la dynamique moléculaires avec une plus grande précision, notre méthode d'imagerie pourrait éventuellement soutenir des applications allant de l'étude des interactions protéiques au développement de médicaments et à la recherche sur les maladies. »
