Moleculen tellen in levende cellen
Biofysicus Rolf Harkes heeft een microscoop ontwikkeld die individuele moleculen kan lokaliseren in levende cellen. Dit verbetert de traceertechnieken voor ziektes als kanker en Parkinson op cellulair niveau. Promotie op 13 januari 2016
Heisenberg
Het is al enkele decennia mogelijk om met een elektronenmicroscoop in te zoomen tot het atomaire niveau. Helaas is die techniek niet toepasbaar op organismen, omdat de straling schadelijk is voor levende cellen. Om biologisch materiaal met ultrahoge precisie te bestuderen, hebben wetenschappers een microscoop nodig die zichtbaar licht gebruikt. Maar optische microscopie komt al snel beperkingen tegen als we de allerkleinste schaal naderen, omdat het onzekerheidsprincipe van Heisenberg ons vertelt dat we niet zowel de locatie als invalshoek van een inkomend lichtdeeltje kunnen meten met absolute zekerheid. Dus licht dat vanuit een puntbron komt, zal je als wazige vlek fotograferen in plaats van een enkel punt. Als moleculen te dicht op elkaar zitten, wat meestal het geval is, kan een doorsnee optische microscoop ze niet van elkaar onderscheiden omdat de afbeeldingen overlappen.
Fluorescentie
Een nieuwe techniek genaamd Single-Molecule Localization Microscopy (SMLM) lost dit probleem op. SMLM is gebaseerd op een door Leids natuurkundige Michel Orrit ontwikkelde methode. Wetenschappers maken een aantal willekeurige moleculen fluorescent. Die zenden dan korte tijd licht uit met een zeer specifieke golflengte, zodat hun signaal gemakkelijk is weg te filteren uit de ruis van de vele andere moleculen. Omdat dit een afbeelding geeft van slechts een paar moleculen, levert dit geen overlappende lokalisaties op. Dit proces wordt vervolgens steeds herhaald, met andere moleculen die fluorescent zijn, tot alle posities zijn bepaald.
Tellen
Harkes heeft een SMLM-microscoop ontwikkeld om de grote belofte te tonen die de techniek inhoudt voor celonderzoek en om nieuwe analysemethoden te ontwerpen voor breder gebruik, zoals een telmethode. ‘Je zou denken dat het gemakkelijk is om het aantal moleculen te tellen door te turven hoe vaak je er één lokaliseert,’ legt hij uit. ‘Maar zo simpel is het niet. Sommige lokaliseer je meerdere keren. En dat gebeurt dan niet op precies dezelfde locatie, want er is altijd een kleine mate van onzekerheid. Daarom heb ik een wiskundige analyse ontwikkeld die bijhoudt wanneer een lokalisatie plaatsvindt vlakbij een vorige, en corrigeert voor dubbele telling.’
Parkinson
Harkes’ technologie en analysemethoden helpen met het visualiseren van biologische structuren in ultrahoge resolutie, tot op het moleculaire niveau. Dit stelt artsen in staat om beter de progressie te volgen van tumoren en onderzoekers kunnen de mechanismen achter ziektes als Parkinson beter bestuderen. Harkes: ‘Ik heb SMLM bijvoorbeeld gebruikt om de ruimtelijke verdeling te bekijken van het eiwit α-synucleïne in cellen. Dat is een goed voorbeeld van de belofte die SMLM inhoudt voor onderzoek naar ziektes, zoals Parkinson in dit geval.’