In 2019 wisten onderzoekers van de TU Delft het veld van de superresolutie-microscopie vooruit te helpen door de precisie van de techniek met ongeveer een factor twee te verbeteren. In een nieuwe studie schetsen zij de fundamentele beperkingen van onderdelen van de superresolutie-microscopie. De nieuwe rekenmethode die ze hebben ontwikkeld, moet volgens de Delftse promovendus Dylan Kalisvaart (eerste auteur van de publicatie) andere onderzoekers helpen om beter overwogen keuzes te maken.
Fundamenten superresolutie-methode herzien
De onderzoekers onder leiding van Carlas Smith herzien nu de fundamenten voor de superresolutie-methode Iterative Single-Molecule Localization Microscopy. Ze gebruiken belichtingspatronen om in te zoomen op individuele moleculen. Hiervoor gebruiken ze resultaten uit eerdere experimenten om de patronen steeds dichter bij moleculen te plaatsen. Dit maakt het mogelijk om de scherpte van het beeld te vergroten, precies op de plekken waar moleculen zitten.
De onderzoekers tonen met de zogenoemde Van Trees-ongelijkheid aan dat resolutieverbetering toe te rekenen is aan voorkennis verkregen uit eerdere experimenten, aldus Kalisvaart, onderzoeker aan het Delft Center for Systems and Control. “Hiermee laten wij zien hoe, gegeven de omstandigheden en de voorkennis, de praktische instellingen van een microscoop moeten zijn om het beste resultaat te behalen."
Blik in binnenste van cel
Superresolutie-microscopie laat onderzoekers in het binnenste van levende cellen kijken. De techniek gebruikt lichtgevende eiwitten die onder meer in kwallen te vinden zijn. In 2008 kregen drie toponderzoekers de Nobelprijs voor de Chemie voor het ontdekken en ontwikkelen van dit eiwit, GFP (Green Fluorescent Protein). De fluorescerende eiwitten zijn middels gen-bewerking aan moleculen vast te zetten. Wanneer je zo’n eiwit met een laser beschijnt, geeft het een klein beetje licht af.
Met de superresolutie-methode Single Molecule Localization Microscopy (SMLM) worden moleculen willekeurig aan- of uitgezet. Gevoelige sensoren maken een video van de lichtsignalen, waarna onderzoekers een analyse maken van de verkregen data. Zo kunnen zij de locatie van de moleculen heel precies bepalen en een reconstructie maken van de celstructuur. Een gewone optische microscoop maakt afbeeldingen mogelijk tot zo'n halve micron (1 miljoenste deel van een meter). Superresolutiemicroscopie gaat tot tien keer verder.
In 2014 namen drie andere onderzoekers de Nobelprijs voor de Chemie in ontvangst voor ‘superresolutie-microscopie’. Eén van de drie winnaars was de Duitse onderzoeker Stefan Hell. Onderzoekers van zijn lab stelden in 2020 dat Iterative Single-Molecule Localization Microscopy de resolutie veel verder zou verbeteren.
Resolutieverbeteringen onhaalbaar
De wetenschappers van de TU Delft laten nu zien dat deze grote resolutieverbeteringen in de praktijk vrijwel onhaalbaar zijn, vertelt Kalisvaart. “In praktische omstandigheden kun je op zijn hoogst een verbetering van ongeveer vijf keer krijgen ten opzichte van de standaardtechniek. Wij hebben dit probleem nu voor het eerst via een andere wiskundige (Bayesiaanse) aanpak bekeken en tonen aan dat de resolutieverbeteringen van de groep van Hell in de praktijk lastig te bereiken zijn.”
Carlas Smith, de begeleider van Kalisvaart, benadrukt echter dat dit niet als tegenslag gezien moet worden. “Het is essentieel dat de onderliggende wetenschap solide is. Als het hele bouwwerk niet goed is, moet je terug naar de begane grond om het fundament opnieuw te leggen.”
Lees ook dit artikel over microscopie-onderzoek aan de TU Delft: TU Delft werkt aan superscherp beeld eiwitten in levende cellen.
