I ricercatori hanno sviluppato una nuova tecnica per visualizzare le cellule viventi dei mammiferi. Il team ha utilizzato un potente laser, chiamato laser a elettroni liberi a raggi X morbidi, per emettere impulsi di illuminazione ultraveloci alla velocità di femtosecondi, o quadrilionesimi di secondo.
Con questo hanno potuto catturare per la prima volta immagini di strutture a base di carbonio nelle cellule viventi, prima che la radiazione a raggi X molli le danneggiasse. I raffinati specchi Wolter, una tipologia di specchio ultrapreciso, sono stati creati per consentire al microscopio di catturare immagini con un'elevata risoluzione spaziale e un ampio campo visivo.
In futuro, il team spera di utilizzare questo microscopio per comprendere meglio la natura dinamica della biologia cellulare. Lo studio è pubblicato sulla rivista Optica .
C'è una differenza tra raggi X molli e raggi X duri. Le radiografie dure sono ciò che molto probabilmente ti sarai imbattuto se hai superato i controlli di sicurezza dell'aeroporto o hai subito una frattura ad un arto. I raggi X molli sono più tipicamente limitati alla ricerca, dallo studio della biologia e della chimica ai minerali e ai meteoriti. I raggi X molli sono in grado di fornire informazioni chimiche su campioni e immagini dettagliate a livello subcellulare, ma il loro utilizzo è stato limitato a causa delle attrezzature molto specializzate richieste e, in biologia, del danno che causano alle cellule viventi.
Tuttavia, un team di ricercatori ha costruito un nuovo microscopio a raggi X molli attraverso il quale hanno potuto osservare per la prima volta cellule vive di mammiferi. Sono stati in grado di acquisire immagini delle strutture di carbonio all'interno delle cellule, che non erano mai state viste prima attraverso altri strumenti. Il carbonio è uno degli elementi principali della vita, quindi questo fornisce una nuova finestra su una parte vitale di noi stessi.
Il microscopio ha due componenti chiave:un laser a elettroni liberi a raggi X morbidi; e gli specchi Wolter ad alta precisione, un tipo di specchio ampiamente utilizzato nei telescopi a raggi X per l'osservazione dello spazio. Gli specchi sono stati realizzati utilizzando la tecnologia creata dall'autore principale Satoru Egawa, assistente professore del Centro di ricerca per la scienza e la tecnologia avanzate dell'Università di Tokyo.
"Un laser a elettroni liberi a raggi X morbidi ha fornito un'illuminazione pulsata alla velocità di decine di femtosecondi (dove un femtosecondo è un milionesimo di un miliardesimo di secondo). La durata ultrabreve degli impulsi di radiazione ci ha permesso di scattare un'immagine prima la struttura della cellula vivente è stata alterata dai danni causati dalle radiazioni," ha spiegato Egawa.
"Abbiamo utilizzato specchi Wolter per l'illuminazione e l'imaging. Questi specchi forniscono un ampio campo visivo, possono resistere all'irradiazione dei potenti laser e non presentano distorsioni di colore, rendendoli ideali per l'osservazione di campioni a varie lunghezze d'onda."
Sebbene i laser a elettroni liberi a raggi X molli siano stati precedentemente utilizzati per studiare virus e batteri più piccoli, le cellule dei mammiferi erano troppo grandi per essere studiate in questo modo. Tuttavia, utilizzando gli specchi Wolter, il team ha potuto ottenere un campo visivo più ampio e utilizzare un portacampioni più spesso che potrebbe contenere cellule più grandi.
Le immagini risultanti hanno mostrato dettagli sul contenuto di carbonio nelle cellule che non erano stati osservati con altri metodi, come la microscopia elettronica e la microscopia a fluorescenza.
"È stato sorprendente per noi trovare una via del carbonio tra il nucleolo (una struttura nel nucleo della cellula, coinvolta nella funzione e nella sopravvivenza della cellula) e la membrana nucleare (che avvolge il nucleo), che non era stata osservata con i microscopi a luce visibile, " ha detto Egawa.
Sono disponibili laser a elettroni liberi a raggi X morbidi più luminosi che consentirebbero immagini ancora più chiare con un "rumore" meno granuloso. Aggiungendo laser più luminosi e specchi Wolter più precisi, il team spera di aggiornare il microscopio in modo che possa osservare più elementi biochimici. Ciò potrebbe anche aiutare a chiarire alcune delle reazioni e interazioni vitali che hanno luogo all'interno delle cellule viventi.
Ulteriori informazioni: Satoru Egawa et al, Osservazione di cellule viventi di mammifero con illuminazione a impulso singolo a femtosecondi generata da un laser a elettroni liberi a raggi X morbidi, Optica (2024). DOI:10.1364/OTTICA.515726
Informazioni sul giornale: Ottica
Fornito dall'Università di Tokyo
