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独特的X射线显微镜显示出令人眼花缭乱的3D细胞图像

X射线辐射成像 X射线显微镜 3D细胞成像 X射线断层扫描
发布:2021-01-07 10:02:35    

国家X射线断层摄影中心开发的一项技术打破了完整细胞内部结构成像的障碍


 

软X射线断层扫描可提供完整细胞内的细胞器图。(来源:Katya Kadyshevskaya / USC)

这个星球由大陆和岛屿组成,每个大陆和岛屿都有独特的文化和资源。一个地区可能以种植食物而闻名,另一个地区是制造建筑材料,然而尽管它们彼此之间存在差异和距离,但这些地区却通过全球流程相互联系。活细胞建立在类似的概念上。例如,电池的一部分产生的燃料可为生命供电,而另一部分则制成简单的构件,然后将其组装成电池内部的复杂结构。为了充分理解细胞,我们需要表征组成它们的结构,并确定其内容。

得益于先进的成像技术,科学家们检查了细胞的许多不同成分,并且一些当前方法甚至可以将这些分子的结构映射到每个原子。然而,了解所有这些部分如何在动态的活细胞中移动,变化和相互作用一直是一个巨大的挑战。

位于伯克利实验室高级光源的团队正在使用其用于全细胞可视化的新方法,利用世界上第一台 为生物学和生物医学研究而构建的软X射线断层扫描(SXT)显微镜,掀起波澜。在发表于《科学进展》上的最新研究中,研究小组使用其平台揭示了从大鼠中提取的胰腺细胞中胰岛素分泌的前所未有的细节。这项工作是与致力于全细胞建模的研究者联盟(称为胰岛β细胞联盟)合作完成的。

“我们的数据表明,SXT是量化对药物反应的亚细胞重排的有力工具,”美国国家X射线断层扫描(NCXT)中心主任,分子生物物理学与整合研究中心的伯克利实验室学院科学家卡洛琳·拉拉贝尔(Carolyn Larabell)说:生物影像科。“这是弥合结构生物学和生理学之间长期差距的重要的第一步。”

Larabell和其他作者指出,SXT非常适合对整个细胞进行成像,而不会因染色或添加标记分子的变化而改变(荧光成像就是这种情况),并且无需化学固定和切片,这是传统电子显微镜所必需的。而且,SXT具有更快,更轻松的细胞制备过程。

 
 

左图显示了使用软X射线断层扫描获得的胰岛β细胞的3D立体图,其中突出显示了胰岛素颗粒(黄色),线粒体(粉红色)和细胞核(蓝色)的分布。框起来的区域指向使用低温电子断层扫描获得的这些区域的结构细节,这是另一项研究的一部分。(图片来源:Valentina Loconte / UCSF和NCXT;以及Kate White / USC)

在不受传统技术和时间限制的情况下,该团队可以在暴露于不同水平的葡萄糖和一种胰岛素增强药物刺激之前,期间和之后,对孤立的胰岛素分泌细胞(称为β细胞)进行可视化。在大鼠和其他哺乳动物中,β细胞通过释放胰岛素来响应不断升高的血糖水平。这种激素调节全身的葡萄糖代谢。

拉拉贝尔说:“我们发现,刺激β细胞可引起胰岛素囊泡数量和分子密度的快速变化-胰岛素在生产后储存在其中的膜'包膜'。” “起初这是令人惊讶的,因为我们希望当细胞外排空时,我们在分泌过程中应该看到较少的囊泡。但我们观察到的是现有未成熟囊泡的迅速成熟。”

高级光源是能源部科学办公室的用户设施。NCXT由美国国立卫生研究院和美国能源部科学办公室资助。

劳伦斯·伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory) 及其科学家被认为是团队能够最好地应对最大的科学挑战而成立于1931年, 并获得了14项诺贝尔奖。如今,伯克利实验室的研究人员开发了可持续的能源和环境解决方案,创建了有用的新材料,推动了计算的前沿,并探索了生命,物质和宇宙的奥秘。来自世界各地的科学家依靠实验室的设施进行自己的发现科学。伯克利实验室是一个多程序国家实验室,由加利福尼亚大学为美国能源部科学办公室管理。

美国能源部科学办公室是美国物理学基础研究的最大支持者,并且致力于解决当今时代最紧迫的挑战。

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