Мікроскоп, натхненний телескопом, бачить молекули в 6D

Нова технологія, частково натхненна конструкцією космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST), використовує дзеркальні сегменти для сортування та збору світла в мікроскопічному масштабі та отримання зображень молекул із новим рівнем роздільної здатності: положення та орієнтація кожного у трьох вимірах.

Подробиці цієї нової системи, розробленої Оумен Чжаном, нещодавнім доктором філософії. 5 грудня в журналі Nature Photonics були опубліковані випускники лабораторії Метью Лью, ад’юнкт-професора електрики та системної інженерії Школи інженерії Маккелві Вашингтонського університету в Сент-Луїсі.

Подібно до космічного телескопа, радіально та азимутальної поляризований рефлекторний мікроскоп (raMVR) залежить від збирання якомога більшої кількості світла. Але замість того, щоб використовувати це світло, щоб бачити речі далеко, він використовує його, щоб розрізняти різні особливості крихітних флуоресцентних молекул, прикріплених до білків і клітинних мембран.

«Установка частково створена за мотивами телескопів», — сказав Чжан. «Це дуже схожа установка. Замість звичної стільникової форми JWST ми використовуємо дзеркала у формі піраміди».

Зараз мікроскопи в цій області стикаються з проблемами створення біологічних зображень. По-перше, така невелика кількість світла, що випромінюється флуоресцентними молекулами, чутлива до найменших аберацій, у тому числі до каламутного середовища всередині клітини. Через це точне зображення більшою мірою покладається на комп’ютерну обробку для визначення орієнтації після того, як зображення було зроблено.Авторство: Вашингтонський університет у Сент-Луїсі

«Подумайте про створення кольорового зображення, коли все, що у вас є, це датчики камери з градаціями сірого», — сказав Лью. «Ви можете спробувати відтворити колір за допомогою обчислювального інструменту, або ви можете безпосередньо виміряти його за допомогою датчика кольору, який використовує різні поглинаючі кольорові фільтри поверх різних пікселів для визначення кольорів».

Подібним чином стандартні мікроскопи просто не визначають, як орієнтовані молекули. Мікроскоп raMVR використовує поляризаційну оптику, яка називається хвильовими пластинами, разом із дзеркалами у формі піраміди, щоб розділити світло на вісім каналів, кожен з яких представляє окрему частину положення та орієнтації молекули.

Примітно, що мікроскоп raMVR — це не маленька технологія. Але менше не завжди означає краще.

«На передньому краї інженерної фізики нам часто доводиться йти на компроміси, щоб зробити наші прилади компактними», — сказав Лью. «Тут ми вирішили прийняти інший підхід: як ми можемо використати кожну дорогоцінну частинку світла, щоб зробити найточніші вимірювання? Абсолютно цікаво думати по-іншому про архітектуру мікроскопа, і тут ми вважаємо, що нове 6D-зображення продуктивність дозволить зробити нові наукові відкриття в найближчому майбутньому».