Avbildning med röntgenlaser synliggör bakteriers små beståndsdelar

Experimentet, som publiceras idag i den vetenskapliga tidskriften Nature Photonics, är en viktig milstolpe för den här typen av avbildningar. Dessa kan möjliggöra 3D avbildning av delar av celler och av små virus och kan ge en djupare förståelse av livets minsta enheter.

– Vår metod tillåter avbildning av enskilda partiklar som kan skilja sig till både storlek och form, säger Max Hantke, doktorand i molekylär biofysik vid Uppsala universitet som ledde forskningen.

För att testa metoden har ett internationellt team bestående av forskare från bland annat Uppsala universitet, European XFEL och DESY studerat karboxysomer, i vilka bakteriens koldioxidfixering sker och som därmed står för cirka en tredjedel av jordens koldioxidfixering. Karboxysomer innehåller proteiner som omvandlar koldioxid till organiska molekyler och som studerats ingående i Uppsala av Dirk Hasse och Inger Andersson. Karboxysomen är så liten, bara runt 100 nanometer (en tiotusendel av en millimeter) att den inte kan studeras med ett vanligt mikroskop.

Med en speciellt framtagen injektor skapade forskarna ett flöde av karboxysomer som leddes in i strålen från röntgenlasern LCLS vid Stanford Linear Accelerator Center i USA. Karboxysomens struktur beräknades sedan utifrån hur den spred röntgenstrålarna. Tidigare har denna metod endast varit möjlig om signalen har kunnat förstärkas genom att tätpacka provet i en kristall vilket inte är möjligt med karboxysomer efersom de varierar i storlek. Tack vare den extrema ljusstyrkan i röntgenlasern och nya analysmetoder kunde forskarna rekonstruera bilder av individuella prover utan att kristallisera dem.

På 12 minuter uppmätte forskarna 70.000 spridningsmönster från enskilda partiklar. Analysen avslöjade att karboxysomen har formen av en ikosaeder vilket överensstämmer med förväntningarna.

– Till skillnad från elektronmikroskopi, som oftast använder frysta prover, kan röntgenlasrar analysera prover vid rumstemperatur. Detta gör det också möjligt att avbilda hela levande celler med mycket hög upplösning, säger Janos Hajdu, professor i biokemi vid Uppsala universitet och en av artikelns huvudförfattare.

– De karboxysomer som vi har rekonstruerat är de minsta enskilda biologiska prover som någonsin avbildats med en röntgenlaser, och vi uppnådde också den högsta upplösningen. Rekonstruktionen visar detaljer till 18 nanometer. För första gången kan vi studera en mycket intressant storleksordning med röntgenlasrar. Flera virus såsom HIV, influensa och herpes är i samma storleksordning som karboxysomer, berättar Max Hantke.

Dessa framsteg lägger grunden för högeffektiv och högupplöst avbildning och möjliggör studier av både struktur och variation hos såväl biologiska som icke-biologiska prov. Forskarna kunde också se att storleken av de avbildade partiklarna överensstämde med den förväntade storleksfördelningen näst intill perfekt, vilket tyder på att de organeller som avbildats inte skadades i processen.
Trots att den mycket starka röntgenlasern förstör provet så kan ett spridningsmönster uppmätas innan provet förintas. Metoden, som kallas ”diffraktion före destruktion”, formulerades redan år 2000 av Uppsalagruppen och testades experimentellt år 2006 med ickebiologiska prover.

– Inom biologin finns det olikheter på alla nivåer även mellan till synes liknande prover. Vi vill ha en metod för att kunna studera detta i cellen, säger Janos Hajdu.

– Vi hoppas att forskningen kan leda till tredimensionella modeller av mångfalden hos cellens byggstenar, säger Max Hantke.

Resultaten kan visa vägen till högeffektiv avbildning av biologiska prover med mycket hög upplösning. Hög datahastighet och mycket korta exponeringar gör det möjligt att studera dynamiken hos prover och analysera strukturella variationer som har en avgörande betydelse för allt liv.

FAKTA
Referens: ”High-throughput imaging of heterogeneous cell organelles with an X-ray laser”; Max F. Hantke, Dirk Hasse et al.; Nature Photonics, 2014; DOI: 10.1038/NPHOTON.2014.270