Filmer celler med astronomenes verktøy

Fysikeren Robert Betzig fikk Nobelprisen i kjemi for sine superskarpe mikroskoper i 2014. Nå har han dyttet grensen for skarphet enda et steg videre.

Med den nye teknikken har Betzig og kollegene hans filmet det indre av cellene i en levende organisme – i 3D.

Filmene viser en kreftcelle som beveger seg , immunceller som spiser sukkerkorn eller nerveceller som utvikler seg.

Se også hjerteceller av laks som banker under mikroskopet, filmet i et annet forsøk på NMBU

Imponerende

– Jeg har sett noen av videoene, og de er virkelig imponerende, kommenterer Kay Oliver Schink i en e-post til forskning.no.

Schink er forsker ved Radiumhospitalet i Oslo og har selv vært med på å utvikle lignende teknologi.

– Den vil gi forskerne nye metoder for å se prosesser inne i cellene i levende organismer over lang tid, skriver Schink.

Levende nerveceller under utvikling i ryggmargen ser ut som en scene fra en science-fictionfilm i dette opptaket med et mikroskop som er utviklet av nobelprisvinneren og fysikeren Eric Betzig og gruppen hans ved Howard Hughes Medical Institute. Mikroskopet tar blant annet i bruk en teknikk som brukes i store teleskop for å fjerne forstyrrelser fra urolig luft. Dermed blir bildene mye skarpere. (Bilde: Fra video publisert av HHMI Howard Hughes Medical Institute)

Æra av nye oppdagelser

Teknologien er den hittil nyeste løsningen på et gammelt problem.

Når cellebiologer skulle studere levende celler, måtte de skjære vevet i tynne snitt.

Det blir litt som å studere villreinens frie liv ved å fange den – og kanskje til og med lage reinskav.

Det er bedre å studere både villreinen og den levende cellen i sitt naturlige miljø. Først da kan vi skjønne hvordan de egentlig lever.

Det betyr at zoologen må holde god avstand – og cellebiologen må la vevsprøven være mest mulig i fred under filmingen. Det har Betzig og forskergruppen hans nå klart.

– Dette vil åpne opp for en æra av nye oppdagelser, skriver Schink.

Les også: Med dette mikroskopet kan du se atomer

Skjelvende luft lager astro-trøbbel

Betzig og forskergruppen hans har kombinert to teknikker for å få til dette. Den ene av teknikkene har de lånt fra astronomene.

Når astronomene skal se fjerne stjerner, stjernetåker og galakser, trenger de store teleskop. Jo større teleskop, desto lysere og skarpere bilder.

Men lufthavet rundt jorda lager trøbbel. Lufta skjelver og virvler og bryter stjernelyset slik at bildene blir uskarpe.

Dytter lyset på plass

Hva gjør astronomene? Jo, de sender en laserstråle opp mot himmelen. Den blir en slags perfekt kunstig fasitstjerne – guide star på engelsk. Så ser de hvordan luftlaget forstyrrer denne fasitstjernen.

Neste trinn er å oppheve disse forstyrrelsene. Alle stjernestrålene må dyttes tilbake på riktig kurs – retningen de hadde før luftlaget trøblet det til.

Under de svære speilene på teleskopene er det små dyttearmer som gjør jobben. Disse dyttearmene bukler speilet for å oppheve feilene fra luftlaget.

Fra det store og fjerne til det nære og lille

Det er som om det gigantiske teleskopet ble løftet opp fra bakken, forbi luftlaget og ut i verdensrommet.

Denne teknikken kalles adaptiv optikk. Optikken – altså speilet i teleskopet – adapterer seg eller tilpasser seg forstyrrelsene i luftlaget og opphever dem.

– Betzig gjør det samme med mikroskopet for å rette opp forstyrrelsene innenfra de biologiske prøvene, skriver Schink.

Her er det ikke luftlagene som forstyrrer, men lagene av andre celler over de cellene som skal filmes.

Akkurat som luftlaget vil disse cellelagene bryte lyset og gjøre bildet uskarpt.

Til unnsetning kommer den adaptive optikken. Teknikken for å se det veldig store og fjerne er hentet inn for å se det nære og bitte lille.

Bedre skarphet: Til venstre uten og til høyre med adaptiv optikk. Bildene viser endocytose – altså hvordan proteiner fraktes inn i en celle. (Foto: Fra YouTube-video publisert av HHMI Howard Hughes Medical Institute)

Inn og ut

Men Betzig og gruppen hans har en enda vanskeligere oppgave enn astronomene.

Stjernene lyser jo av seg selv, men cellene under mikroskopet må belyses utenfra for å synes.

Denne belysningen må også være helt nøyaktig. Det betyr at lysstrålene må styres trygt inn gjennom lag av forstyrrende celler mot cellen som skal studeres.

Det trengs altså to trinn med adaptiv optikk – først for innkommende belysning og så for lyset som går ut til videokameraet.

Lyssky celler

Begge de adaptive systemene – belysningen og filmingen – må styres av hver sin laserstråle, tilsvarende fasitstjernen eller guide star i teleskopet.

– I dette tilfellet er det en infrarød laser som ikke skader celleprøven, skriver Schink.

Dette er et viktig poeng. Kraftig lys forstyrrer cellene og kan være farlig for dem.

– Alle celler kan bare motstå en viss lysstyrke, lik mennesker som bare kan være en stund ute i sola før de blir solbrente, fortsetter Schink. Det gjelder altså å dempe lyset så mye som mulig.

Eldre mikroskoper sendte inn lyset ovenfra. Dermed ble alle cellene i hele vevsprøven belyst.

Det blir enda mer forstyrrende lys, og hva verre er – lyset var tusener til millioner ganger så sterkt som sollys. Cellene kunne ta skade eller dø, særlig hvis de ble filmet over lang tid.

Det blir litt som å steike villreinen for å se den i fri dressur.

Når lyset kommer fra samme retning som mikroskopet, blir alle lagene av celler belyst. Dermed forstyrrer lyset fra de øverste lagene for lagene under, som forskerne vil se. (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no)

Inn sidelengs

Derfor bruker Betzig og gruppen hans også en annen teknikk. De sender ikke lyset inn ovenfra. De sender det inn sidelengs.

Dermed treffer lyset bare det tynne laget av celler som skal filmes. Lagene over og under ligger i mørke.

Dette kalles lysarkmikroskopi – light sheet microscopy. Du kan se for deg at lyset sendes ut i en tynn skive eller et ark langsmed laget av celler. Bare skiven som er belyst, blir filmet.

Så beveges lysarket nedover gjennom cellevevet. Stadig nye lag blir belyst. Det er som å skjære tynne snitt gjennom vevet. Alle snittene blir satt sammen til en 3D-modell – omtrent som i en CT-skanner.

Lysarkmikroskopi belyser bare det tynne laget av celler som forskerne vil se på. Dermed kommer det ikke så mye forstyrrende lys fra cellene i lagene over. Cellene er behandlet slik at de er fluoriscerende – lyser opp når de treffes av lysarket. (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no)

Små og gjennomsiktige prøver er best

Selv om mikroskopet er et stort framskritt, er det ikke noe columbi egg som løser alle problemer.

Betzig og gruppen hans har brukt det på sebrafisk, som er gjennomsiktige. Vanlig, ugjennomsiktig vev er vanskeligere å trenge gjennom for lyset. Større vevsprøver er heller ikke egnet.

Sebrafisken kan brukes til så mangt. Les mer om det: Liten fisk med stort oppdrag

– Bildefeltet kan bare skanne en tiendedels millimeter. Alt som er større vil bli en utfordring, i det minste inntil videre, skriver Schink.

Frankensteins monstrum

Det høres ganske enkelt ut, men supermikroskopet til Betzig og gruppen hans er litt av et Frankensteins monstrum, i Betzigs egne ord fra en pressemelding.

Det er tre meter langt og altfor dyrt, selv for de fleste forskningslaboratorier.

– Du trenger speil som kan deformeres, guide star-lasere, og du trenger spesielle linser og svært følsomme kameraer. Du må også være sikker på at alt er perfekt justert, skriver Schink.

Trenger superdatamaskiner

Et annet problem er datamengdene som mikroskopet lager.

Selv et ganske enkelt lysark-mikroskop kan lage like mye data som partikkelakseleratoren LHC ved Cern i Genéve.

– Der har de superdatamaskiner for å behandle dataene. Det er noe du sjelden eller aldri finner i biologilaboratorier, skriver Schink.

Les også: Store datamengder utfordrer cellebiologene

Men datateknologien utvikler seg raskt, og Betzig planlegger å gjøre mikroskopet mindre og rimeligere. Da kan forskere over hele verden lære mer om cellenes naturlige liv i organismen.

– Jeg regner med at vi vil se slike instrumenter i mange biologilaboratorier i framtida, skriver Schink.

Referanse og lenke:

Tsung-Li Liu m.fl: Observing the cell in its native state: Imaging subcellular dynamics in multicellular organisms, Science 20. April 2018, DOI: 10.1126/science.aaq1392, sammendrag.

New Microscope Captures Detailed 3-D Movies of Cells Deep Within Living Systems, nyhetsmelding fra Howard Hughes Medical Institute med mange video-eksempler, der forskningen er utført.

Artikkelen er først publisert på Forskning.no.