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# 生物学# 生物物理学

生細胞の研究のための新しい光技術

生きている生物を自然な行動を邪魔せずに捕まえる方法。

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革新的な細胞イメージング方革新的な細胞イメージング方ャッチ!革命的な技術で、干渉なしに生きた細胞をキ
目次

光を使って小さな物体を動かしたり研究したりするのは、科学においてかなりエキサイティングな分野だよ。大きな課題の一つは、動いている生き物を自然に動かさせたまま観察する方法を見つけること。今の方法だと、生きた標本を押さえたり落ち着かせたりしないといけなくて、これが行動を変えてしまうことがあるんだ。だから、特に脳みたいな複雑な機能を研究する時は、正確な結果を得るのが難しくなるんだよ。

この記事では、TRIMingっていう新しい方法を紹介するね。このアプローチを使えば、科学者は生きた細胞や生物を自然な動きを止めずに捕まえて写真を撮ることができるんだ。この技術は、生物学や発展のいろんな分野でめっちゃ役立つかもしれないよ。

より良い技術の必要性

従来、科学者は生きた生物を動けなくするために、粘着性の物質や薬を使って落ち着かせる方法を使ってきたんだ。たとえば、アガーっていう柔らかいゼリー状の物質を使って、小さなミミズをその場に押さえながら測定するんだけど、これだと器官や細胞の振る舞いが変わっちゃって、データが正確じゃなくなるんだ。

最近、いくつかの科学者が生きた生物を見る新しい方法を見つけたんだ。たとえば、液体で満たされた小さなチャンネルを使って動かさない方法なんだけど、こういうのは複雑で特別な訓練が必要なんだ。生きた細胞を自然な状態で研究できて、行動に影響を与えないような、もっとシンプルで効果的な方法が必要だよね。

TRIMingって何?

TRIMingは、捕まえるって意味のトラッピングと、イメージを撮るイメージングを組み合わせたものなんだ。この技術は、実際に生物に触れずに観察するから違うんだ。光を使って生物を捕まえて調べることで、科学者は動きながら機能しているのを観察できるんだ。

TRIMingシステムには、光トラップ、蛍光顕微鏡、伝送イメージングセットアップ、検出システムの4つの主要な部分があって、これらがうまく協力してこの技術を成功させてるんだ。

TRIMingシステムの仕組み

システムの最初の部分は光トラップだよ。特定のレーザー光を使って、小さな物体を触れずに保持できる力を作るんだ。科学者はレーザーの形を調整して、さまざまな種類の物体、例えば小さな細胞や長い生物を捕まえられるようにするんだ。

2つ目の部分では、光に捕まった物体の詳細な画像をとる特別な顕微鏡を使うんだ。この顕微鏡は、生きた細胞の内部の異なる構造を示すために別のタイプの光を使うんだ。

3つ目の部分では、普通の白色光を使って捕まった物体の画像を違う方法で撮るんだ。これで、研究している標本についてもっと情報を提供するんだ。

検出システムは、捕まえた画像を処理するところ。敏感なカメラが光の情報を集めて、科学者が後で分析できるクリアな画像に変換するんだ。

生きた生物の画像を撮る

TRIMingシステムをテストするために、科学者たちは小さなシリカビーズやヒトの生きた細胞(HeLa細胞)、小さな線虫(C. elegans)など、さまざまな物体を捕まえることに成功したんだ。このシステムは、物体が環境の中で自由に動いている状態でも、効率よく捕まえられるんだ。

たとえば、HeLa細胞を捕まえるとき、科学者たちは小さな光トラップを作るためにシステムを調整して、トラップに引き寄せられる細胞の画像を撮ったんだ。細胞がトラップの中心に到達するまでの時間も記録されて、システムの効率が示されたんだ。同じように、C. elegansも彼らの細長い体に合う異なる光の形を使って捕まえられたよ。

TRIMingシステムの利点

TRIMingの主な利点の一つは、科学者が生きた細胞を自然な行動を変えずに研究できることなんだ。接触なしの方法は、研究結果がより正確で現実的な条件を反映することを確保してるんだ。

このシステムは、さまざまな種類の光トラップに素早く調整できるから、さまざまな形やサイズの生物に適応できるんだ。この機能は、異なる細胞や生物が効果的に保持されるために異なる捕らえ方が必要なことが多いから役立つんだよ。

さらに、標本がまだ動いている間に画像を撮る能力は、リアルタイムのデータを提供して、変化が起こる瞬間を観察しやすくするんだ。これによって、生き物がどう働いて成長するかについての理解が深まるかもしれないよ。

実用的な応用

TRIMingシステムは、さまざまな科学の分野で広範な意味を持ってるんだ。生物学では、細胞の振る舞いや異なるタイプの細胞同士の相互作用、さらには生物の発展研究を強化することができる。加えて、この技術は医療研究にも価値があって、病気が生きた細胞で進行する様子や、治療がそれらにどんな影響を与えるかを研究するのに使えるんだ。

物理学でも、TRIMingの方法は、光がさまざまな材料とどう相互作用するかの研究に役立つんだ。これらの相互作用を理解することで、光学技術や材料科学の進歩が期待できるよ。

結論

TRIMingシステムの開発は、生きた生物の研究においてエキサイティングな一歩を示しているんだ。科学者が自然な状態に影響を与えずに標本を捕まえてイメージを撮れるようにすることで、この新しい技術はより正確で洞察に富んだ研究への扉を開くんだ。光の捕らえ方とイメージングの組み合わせは、今まで不可能だった形で生命の複雑さを調査するための強力なツールを提供するんだ。科学者たちがこの技術を探索し続け、洗練させていく中で、生物学と物理学の理解を深めるための大きな可能性を秘めているんだ。

リアルタイムでの観察と分析の可能性があるTRIMingシステムは、研究者が生命とそのプロセスを研究する方法を変える革新的なアプローチを表しているんだ。この新しい方法は、さまざまな科学の分野で重要な発見を導くかもしれないし、自然環境の中での生き物やその相互作用についての知識の限界を押し広げるかもしれないね。

オリジナルソース

タイトル: TRapping and IMaging (TRIMing) of Cells/Multicellular Organisms in Free Living Environment Enabled by Adaptive Lightsheet Optical Tweezer (aLOT)

概要: To be able to trap and image in a live cell / organism on the go is an incredible feat and paves the way for immobilization-free interrogation. This is a step towards the interrogation of cells / live species in their natural environment. To facilitate, a TRIMing technique primarily based on an adaptive lightsheet optical tweezer (aLOT) system is proposed. The TRIMing technique combines the benefits of touch-free optical tweezing and high-resolution imaging. The entire system is built on a single platform for rapid interrogation of freely moving live biological specimens. The trapping system combines an electrical-tunable lens (ETL), cylindrical lens, and an objective lens to generate adaptive PSF. The ETL (in the beam-expander) adaptively changes the beam cross-section (to either a parallel beam or converging point-beam) entering the back-aperture of cylindrical lens, resulting in a point or a line spot at the focus. An objective lens placed at the focus of a cylindrical lens converts the spot to a tightly focused diffraction-limited lightsheet or point PSF. Depending on the object type (spherical or elongated), the system can flip between point and sheet PSF at a rate of 200 Hz. The system is integrated to a separate fluorescence arm to enable the imaging of trapped objects (cells or organisms). The TRIMing system operates in a brightfield mode to optically trap using point / sheet PSF and subsequently switched to fluorescence mode for imaging. The potential of the system is demonstrated by trapping live specimens (HeLa cells and C. elegans labelled with Bodipy dye) and imaging them in a freely moving environment. Characterization shows a point and sheet PSF size of, 43.42 m2 and 70.5 x 4.9m2 with a trap stiffness of 1.15 x 10-3 pN/nm and 0.46 x 10-3 pN/nm, respectively. Fluorescently-labelled live specimens were investigated that showed the random distribution of organelles (lipid droplets) both in cells and C. elegans. The TRIMing system demonstrated a resolution of < 0.7m, a contrast of {approx} 0.84, a SNR of {approx} 11 dB. This allows a good combination of rapid trapping and high-quality imaging. In addition, the system allows near real-time determination of critical biophysical parameters, such as organelle size of 1.01 m (in cells) and 1.29 m (in C. elegans) with a density of 0.021#/m2 and 0.039#/m2, respectively. The number of lipid droplets are found to be nearly double for C. elegans as compared to HeLa cells. These parameters are directly linked to the physiological state of live biological species. Overall, the developed TRIMing system allows high-quality imaging of live specimens in a free living environment. Statement of SignificanceThe ability to image live specimens in a free-living environment is phenomenal. The existing techniques often constrain/fix/anesthetize these organisms to image their physiological state. This comes with a lot of conditioning and directly affects the physiological state or developmental process in biological species, especially the brain undergoing neuronal activity. The proposed TRIMing technique elevates this requirement by optically trapping the moving object and simultaneously imaging the internal organelles with high resolution in a free environment. The technique is expected to have widespread applications in diverse disciplines ranging from fundamental cell biology to optical physics.

著者: Partha Pratim Mondal, N. Baro, J. Basumatary, N. Pant

最終更新: 2024-05-05 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.05.02.591710

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.05.02.591710.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

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