Ogni cellula umana è racchiusa in una membrana lipidica spessa cinque nanometri che la protegge dall'ambiente circostante. Come un portiere, la membrana determina quali ioni e molecole possono attraversare. Così facendo, assicura il benessere e la stabilità della cellula e le permette di comunicare tramite segnali elettrici.

I ricercatori del Laboratorio di biofotonica fondamentale (LBP) della Scuola di ingegneria dell'EPFL sono stati in grado di tracciare queste cariche in movimento in tempo reale in modo completamente non invasivo. Piuttosto che osservare le membrane stesse, guardavano le molecole d'acqua circostanti, quale, oltre a mantenere intatta la membrana, cambiare orientamento in presenza di cariche elettriche. Quindi, "leggendo" la loro posizione, i ricercatori sono stati in grado di creare una mappa dinamica di come le cariche vengono trasportate attraverso una membrana.

Il metodo dei ricercatori è stato appena pubblicato sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ). Potrebbe far luce su come funzionano i canali ionici, insieme ad altri processi in atto nelle membrane. Questo metodo clinicamente praticabile potrebbe essere utilizzato anche per tracciare direttamente l'attività ionica nei neuroni, che approfondirebbe la conoscenza dei ricercatori su come funzionano le cellule nervose. "Le molecole d'acqua possono essere trovate ovunque ci siano membrane lipidiche, che hanno bisogno di queste molecole per esistere, "dice Sylvie Roke, capo del LBP. "Ma fino ad ora, la maggior parte degli studi sulle membrane non ha preso in considerazione queste molecole. Abbiamo dimostrato che contengono informazioni importanti".

I ricercatori hanno fatto questo utilizzando un microscopio a seconda armonica unico che è stato inventato presso l'LBP. L'efficienza di imaging di questo microscopio è di oltre tre ordini di grandezza maggiore di quella dei microscopi di seconda armonica esistenti. Con questo microscopio, i ricercatori hanno ottenuto immagini di molecole d'acqua su una scala temporale di 100 millisecondi.

Per sondare l'idratazione delle membrane lipidiche, i ricercatori combinano due laser della stessa frequenza (impulsi a femtosecondi) in un processo che genera fotoni con una frequenza diversa:questo è noto come luce di seconda armonica. Viene generato solo alle interfacce e rivela informazioni sull'orientamento delle molecole d'acqua. "Possiamo osservare cosa sta succedendo in situ, e non abbiamo bisogno di modificare l'ambiente o utilizzare marcatori ingombranti come i fluorofori che disturberebbero il movimento delle molecole d'acqua, "dice Orly Tarun, l'autore principale della pubblicazione.

Con questo metodo, i ricercatori hanno osservato fluttuazioni di carica nelle membrane. Tali fluttuazioni erano precedentemente sconosciute e suggeriscono un comportamento chimico e fisico molto più complesso di quanto attualmente considerato.