3-in-1 microscoop wijst onderzoekers de weg naar eiwitten

Nieuws - 01 december 2022 - Communication TNW

Delftse natuurkundigen hebben een 3-in-1 microscoop ontwikkeld waar een lichtbundel, elektronenbundel en ionenbundel samenwerken om precies de gewenste plakjes uit biologische preparaten te snijden. Deze zijn onmisbaar voor biomoleculair onderzoek naar nieuwe generaties medicijnen. De uitvinding is vandaag in het tijdschrift eLife gepubliceerd.

Biomoleculen in de cel

De fundamenten van gezondheid en ziekte zijn terug te voeren op het wel of niet functioneren van biomoleculen in de cel, zoals eiwitten. Onderzoek naar deze moleculen is essentieel om medicijnen te kunnen ontwikkelen. In 2017 werd de Nobelprijs voor de chemie dan ook toegekend aan de uitvinders van een microscopietechniek die door kan dringen tot de kleinste en meest complexe biomoleculen. 

Deze zogenaamde cryo-transmissie elektronenmicroscopie (cryo-TEM) gebruikt een elektronenbundel om individuele biomoleculen in de cel af te beelden, tot op bijna atomair niveau. Hiervoor moet de cel wel razendsnel bevroren worden tot cryogene temperaturen (typisch –170°C) en er een flinterdun plakje afgesneden worden waar het gezochte biomolecuul zich in bevindt. In de praktijk is het bijzonder lastig om precies op de goede plek te snijden. 

Foto van de 3-in-1 microscoop waarmee met een elektronenbundel (boven, midden), ionenbundel (boven, rechts) en lichtbundel (onder, midden) dezelfde plek op een biologisch preparaat te bekijken zijn.

Drie bundels

Promovendus Daan Boltje heeft nu een techniek ontwikkeld om de cel met een drietal microscopietechnieken tegelijk te bekijken. Door het gezochte biomolecuul te voorzien van een fluorescerend label, licht het letterlijk op, waarna rondom de plek van de fluorescentie een plakje uitgesneden wordt, wat tenslotte met cryo-TEM verder onderzocht kan worden. Het gebruik van cryo-TEM voor onderzoek naar eiwitten en andere biomoleculen is de afgelopen jaren explosief toegenomen. Boltjes’ uitvinding maakt zulk cryo-TEM-onderzoek makkelijker en preciezer.

Om dit mogelijk te maken, richt Boltje tegelijk drie bundels op een biologisch preparaat: een lichtbundel om de fluorescente kleurstoffen op te laten lichten, een elektronenbundel om in te zoomen tot op nanometerniveau, en een ionenbundel om een flinterdun plakje te kunnen snijden. 

De lichtbundel die op het biologische preparaat gericht staat laat de fluorescente kleurstoffen in de cel groengeel oplichten. In het gesneden plakje (midden in de zwarte gleuf) zijn verschillende fluorescerende labels (rood en geel) individueel zichtbaar.

Technische prestatie

Hoofdonderzoeker Jacob Hoogenboom: “We snijden uit een cel van 10.000 kubieke micrometer groot op precies de goede plek een plakje van 0,1 micrometer dik. In vacuüm en bij –170°C. Technisch gezien is dat een hele prestatie.” Voorheen was het nodig om het preparaat in afzonderlijke microscopen te bekijken, waarna onderzoekers de gegevens van deze microscopen over elkaar moesten leggen, of sneden ze ’blind’ allerlei plakjes in de hoop dat er eentje tussen zat met het gezochte biomolecuul erin. 

Boltje, die als industrieel promovendus verbonden is aan zowel de TU Delft als microscopiebedrijf Delmic, ontwikkelde de techniek in samenwerking met celbiologen uit Nederland, Duitsland, Australië en de VS, die als eindgebruikers het systeem meteen gaan inzetten voor hun onderzoek naar eiwitten. “Ik ben vooral trots op het gebruiksgemak. Je ziet de fluorescentie op je scherm, je navigeert ernaartoe, en met een druk op de knop snijdt de microscoop daar een plakje af.”

Delmic timmert al langer aan de weg met het combineren van licht- en elektronenmicroscopie. Hoogenboom: “Daan heeft laten zien hoe licht, ionen, elektronen en cryogene koeling samen kunnen komen in één vacuümsysteem. Drie prototypes gaan nu door andere groepen gebruikt worden. Aan ons de uitdaging om de techniek verder te ontwikkelen en wellicht op termijn op de markt te brengen.”
 

Daan Boltje

PhD Candidate

Associate Professor

Jacob Hoogenboom