Введение
RESOLFT, аббревиатура от REversible Saturable OpticaL Fluorescence Transitions, обозначает группу оптических методов флуоресцентной микроскопии с очень высоким разрешением. Используя стандартную оптику видимого света дальнего поля, можно получить разрешение, намного ниже предела дифракции, вплоть до молекулярных масштабов. При использовании обычных методов микроскопии невозможно различить объекты, расположенные на расстоянии менее половины используемой длины волны (т.е. около 200 нм для видимого света). Этот предел дифракции основан на волновой природе света. В обычных микроскопах предел определяется используемой длиной волны и числовой апертурой оптической системы. Концепция RESOLFT преодолевает это ограничение, временно переключая молекулы в состояние, в котором они не могут посылать (флуоресцентный) сигнал при освещении. Эта концепция отличается от, например, электронной микроскопии, где вместо этого используемая длина волны намного меньше.
Принцип работы
Микроскопия RESOLFT - это оптическая микроскопия с очень высоким разрешением, которая может изображать детали в образцах, которые не могут быть изображены с помощью обычной или конфокальной микроскопии. В рамках RESOLFT обобщены принципы микроскопии STED и микроскопии GSD. Структуры, которые обычно слишком близки друг к другу, чтобы их можно было различить, читаются последовательно. В рамках этой концепции могут быть объяснены все методы, которые работают на молекулах, имеющих по меньшей мере два различаемых состояния, где возможно обратимое переключение между двумя состояниями, и где по меньшей мере один такой переход может быть оптически индуцирован. В большинстве случаев используются флуоресцентные маркеры, где одно состояние (A), которое ярко, то есть генерирует флуоресцентный сигнал, а другое состояние (B) темно и не дает никакого сигнала. Один переход между ними может быть вызван светом (например, A→B, яркий в темный). Образец освещается неоднородно, при этом интенсивность освещения в одном положении очень мала (нулевая при идеальных условиях). Только в этом месте молекулы никогда не находятся в темном состоянии B (если A является предшествующим состоянием) и полностью остаются в ярком состоянии A. Площадь, где молекулы в основном находятся в ярком состоянии, может быть сделана очень маленькой (меньше, чем обычный предел дифракции) путем увеличения интенсивности переходного света (см. ниже). Таким образом, известно, что любой обнаруженный сигнал исходит только от молекул в небольшой области вокруг минимальной интенсивности освещения. Изображение высокого разрешения может быть получено путем сканирования образца, т.е. сдвига профиля освещения по поверхности. Переход обратно от B к A может быть спонтанным или вызван светом другой длины волны. Молекулы должны быть переключаемыми несколько раз, чтобы присутствовать в состоянии А или В в разное время во время сканирования образца. Метод также работает, если светлое и темное состояния перевернуты, тогда получается отрицательное изображение.
Варианты
При переключении молекулярных состояний используются различные процессы. Однако все они имеют в общем, что используются по крайней мере два различаемых состояния. Обычно используемое свойство флуоресценции отмечает различие состояний, однако это не является существенным, поскольку также могут использоваться свойства поглощения или рассеивания.
RESOLFT с переключаемыми белками
Некоторые флуоресцентные белки могут включаться и выключаться при помощи света соответствующей длины волны. Они могут использоваться в микроскопе типа RESOLFT. При освещении светом эти белки меняют свою конформацию. В процессе они приобретают или теряют способность излучать флуоресценцию. Флуоресцирующее состояние соответствует состоянию А, нефлуоресцирующее - состоянию В, и снова применяется концепция RESOLFT. Восвращаемый переход (например, от B обратно к A) происходит либо спонтанно, либо снова под воздействием света. Индуцирование конформационных изменений в белках может быть достигнуто уже при гораздо более низких интенсивностях переключения света по сравнению с стимулированной эмиссией или истощением основного состояния (некоторые Вт / см2). В сочетании с микроскопией 4Pi изображения с изотропным разрешением ниже 40 нм были получены из живых клеток при низком уровне освещенности.
RESOLFT с органическими красителями, которые можно переключать
Как и белки, некоторые органические красители могут менять свою структуру при освещении. Флуоресцентная способность таких органических красителей может включаться и выключаться при помощи видимого света. Опять же применяемые световые интенсивности могут быть довольно низкими (около 100 Вт/см2).