Delftse track-and-trace-methode voorspelt maximale scherpte in microscopie

Wetenschappers van de TU Delft geven inzicht in de beperkingen van superresolutie-microscopie en bieden nieuwe rekenmethode om maximale scherpte te bepalen. In hun publicatie nuanceren ze de grote precisieverbeteringen die door collega-onderzoekers eerder beweerd zijn. Met superresolutie-microscopie worden processen in de levende cel, het ontstaan van ziektes en de ontwikkeling van nieuwe medicijnen onderzocht. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Biophysical Journal.

Al in 2019 gaven Delftse onderzoekers het veld van de superresolutie-microscopie een flinke zet voorwaarts door de precisie van de techniek met ongeveer een factor twee te verbeteren. Nu komen ze met een wetenschappelijk artikel dat de fundamentele beperkingen van onderdelen van de superresolutie-microscopie aangeeft. ‘En we bieden tevens een rekenmethode voor andere onderzoekers om beter overwogen keuzes te maken’, zegt Dylan Kalisvaart, de Delftse promovendus en eerste auteur van de publicatie.

De onderzoekers onder leiding van Carlas Smith herzien de fundamenten voor de superresolutiemethode genaamd iterative single-molecule localization microscopy. Ze gebruiken belichtingspatronen om in te zoomen op individuele moleculen. Daarbij maken ze gebruik van resultaten uit eerdere experimenten om de patronen steeds dichter bij moleculen te plaatsen. Hierdoor is het mogelijk om de scherpte van het beeld te vergroten, precies op de plekken waar moleculen zitten.

Kalisvaart, onderzoeker aan het Delft Center for Systems and Control, vertelt: ‘We tonen – met de zogenoemde Van Trees-ongelijkheid – aan dat resolutieverbetering toe te rekenen is aan voorkennis verkregen uit eerdere experimenten. Hiermee laten we zien hoe, gegeven de omstandigheden en de voorkennis, de praktische instellingen van een microscoop moeten zijn om het beste resultaat te behalen.’

Superresolutie-microscopie

Superresolutie-microscopie is een grensverleggende technologie waarmee onderzoekers in het binnenste van levende cellen kunnen kijken. De techniek maakt gebruik van 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 lichtgevende eiwit, green fluorescent protein genaamd. Onderzoekers kunnen deze fluorescerende eiwitten met behulp van gen-bewerking aan moleculen vastzetten. Wanneer je zo’n eiwit met een laser beschijnt, geeft het vervolgens een klein beetje licht af.

Met de superresolutiemethode 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. Hierdoor kunnen ze de locatie van de moleculen heel precies bepalen en een reconstructie maken van de celstructuur. Met een gewone optische microscoop kun je op een schaal van ongeveer een halve micron afbeeldingen maken. Met superresolutiemicroscopie kun je dat tien keer zo goed doen.

Het veld van de superresolutiemicroscopie ontwikkelde zich het afgelopen decennium razendsnel. In 2014 namen drie andere onderzoekers de Nobelprijs voor de Chemie in ontvangst voor wat bekend kwam te staan als ‘superresolutie-microscopie’. Een van de drie winnaars was de Duitse onderzoeker Stefan Hell. Onderzoekers van het lab van Hell stelden in 2020 dat iterative single-molecule localization microscopy de resolutie veel verder zou verbeteren. De wetenschappers van de TU Delft laten zien dat deze grote resolutieverbeteringen in de praktijk vrijwel onhaalbaar zijn.

Kalisvaart: ‘In praktische omstandigheden kun je op zijn hoogst een verbetering van ongeveer vijf keer krijgen ten opzichte van de standaardtechniek. Het veld ging er grotendeels vanuit dat het potentieel veel groter was. We 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.’

Zal men de publicatie in Biophysical Journal nu vooral zien als een setback? ‘Ik kijk daar heel anders tegen aan’, zegt Smith, de begeleider van Kalisvaart. ‘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.’