Nauwkeurige 3D-beeldvorming van het molecuul onthult nieuwe soorten synapsen

Een nieuw ontwikkelde beeldvormingstechniek heeft geleid tot een verrassende ontdekking in de wereld van de microbiologie. Een onderzoeksteam onder leiding van Ralph Youngmann van het Max Planck Instituut (MPI) voor Biochemie en van de Ludwig Maximilian Universiteit (LMU) nam deel, samen met Eugenio F. Fornasero en Felipe Opazo, die als werkgroepleiders werken bij het Universitair Medisch Centrum. Göttingen (UMG) en het Helmholtz Center in München. Een ruimtelijke beeldvormingsmethode met hoge doorvoer, SUM-PAINT genaamd, stelde hen in staat een neuronale atlas te ontwikkelen met een resolutie van één molecuul. Ze hebben een voorheen onbekend type synaps ontdekt. De onderzoekers presenteerden hun bevindingen in een onderzoek uitgevoerd door Edward Untrauer in het laboratorium van Youngman. Het verscheen in nummer 187/7 van het gespecialiseerde tijdschrift “The Cell” (Het artikel is beschikbaar in open access PDF-formaat). Het hier beschreven SUM-PAINT-proces omvat een workflow voor het genereren en analyseren van gegevens die door onderzoekers over de hele wereld kan worden gebruikt. Zoals uit het onderzoek blijkt, kan het relatief eenvoudig worden gebruikt met standaardmicroscopen en vereist het geen speciale apparatuur.

advertentie

Jungmann is ervan overtuigd dat SUM-PAINT niet alleen een mijlpaal is op weg naar het ontrafelen van de complexiteit van de celbiologie op moleculair niveau. De methode heeft ook alles wat nodig is om een ​​doorbraak mogelijk te maken in de ontdekking van nieuwe therapeutische benaderingen voor neurodegeneratieve ziekten. Het biedt de mogelijkheid om voorheen verborgen details van neurologische aandoeningen te onderzoeken en kan zo bijdragen aan een dieper begrip van de onderliggende mechanismen van ziekten zoals de ziekte van Parkinson of de ziekte van Alzheimer.

Synapsen als complexe eiwitstructuren

Voor het eerst maakt SUM-PAINT het mogelijk om een ​​groot aantal eiwitten gelijktijdig met moleculaire resolutie en razendsnel weer te geven en in kaart te brengen. Zoals Untrauer uitlegt, moet men tegelijkertijd de locatie, identiteit en interactie van individuele biomoleculen onderzoeken om de complexiteit van levende systemen tot op het kleinste niveau te begrijpen. Er zijn verschillende cruciale uitdagingen die moeten worden overwonnen: naast de mogelijkheid om meerdere signalen te combineren, heeft dit ook betrekking op de criteria gevoeligheid, doorvoer en ruimtelijke resolutie. Het team keek naar de complexe omgeving van neuronen in het menselijk brein en ontwikkelde voor het eerst een neurale atlas met een resolutie van 30 verschillende soorten eiwitten in één molecuul. Hij was in staat de complexiteit van de synaptische eiwitsamenstelling van bijna 900 individuele synapsen te ontcijferen. Dit resulteerde in grote hoeveelheden gegevens – die op hun beurt alleen op zinvolle wijze in detail konden worden onderzocht met behulp van een speciaal ontwikkelde analysepijplijn, aangedreven door machinaal leren. De analyse heeft 1.600 kenmerken uit de beeldgegevenssets vastgelegd. Kenmerken waren onder meer het eiwitgehalte, de distributie en de vorm. Tijdens deze analyse ontdekten de onderzoekers een voorheen onbekend type synaps. Het maakt slechts ongeveer één procent uit van alle synapsen in het menselijk brein. Het was niet detecteerbaar met andere beeldvormingstechnieken.

Deze studie, die open access is gepubliceerd, stelt geïnteresseerde partijen wereldwijd in staat om op basis van de beschreven methode zeer gedetailleerde beeldvorming voor hun eigen doeleinden te implementeren.

(PSZ)