I ricercatori della Northwestern Engineering hanno sviluppato una nuova piattaforma in grado di visualizzare singole molecole in 3-D, permettendo sonde più profonde nel funzionamento interno delle cellule.

La piattaforma utilizza la microscopia spettroscopica di localizzazione a singola molecola (sSMLM), uno strumento in grado di catturare simultaneamente le informazioni spaziali di singole molecole e le loro firme spettroscopiche.

I ricercatori hanno migliorato lo strumento combinando sSMLM esistente con un sistema a due specchi, permettendogli di visualizzare molecole in 3-D a profondità molto maggiori. Questo nuovo strumento potrebbe aiutare i biologi molecolari a comprendere i processi complessi all'interno delle cellule.

"Il nostro design è relativamente facile da implementare, e ci permetterà di studiare le interazioni molecolari molto meglio di prima, " disse Hao Zhang, professore di ingegneria biomedica e coautore della ricerca. "Ora non solo possiamo vedere dove sono le molecole, ma anche quello che sono." Zhang ha sviluppato la tecnologia con Cheng Sun, professore associato di ingegneria meccanica.

I risultati sono stati pubblicati il ​​21 maggio sulla rivista ottica . I coautori includevano Ki-HeeSong, un dottorato di ricerca candidato, e Yang Zan, un borsista post-dottorato, entrambi del dipartimento di ingegneria biomedica della Northwestern.

Imaging in 3-D

Negli ultimi anni, scienziati e ingegneri hanno utilizzato sSMLM per comprendere meglio le interazioni molecolari e le dinamiche cellulari. Il sistema fornisce informazioni sulla posizione delle molecole e su come queste interagiscono con la luce, che dice agli scienziati che tipo di molecola vedono.

Ma il sistema funziona solo in due dimensioni, dando solo una visione parziale delle molecole e delle loro interazioni.

Zhang e Sun volevano estendere l'imaging al 3D e originariamente hanno sviluppato un modo per farlo aggiungendo un obiettivo aggiuntivo, ma ho scoperto che un paio di specchi può ottenere lo stesso effetto in un modo molto più elegante.

Gli specchi funzionano introducendo una differenza di lunghezza del percorso ottico nel sistema che migliora il modo in cui il sistema utilizza i fotoni. A differenza delle lenti, la maggior parte degli specchi non attenua la luce riflessa, il che significa che più fotoni possono essere utilizzati per la localizzazione nanoscopica per creare un'immagine più nitida ed estendere l'imaging nella gamma di profondità 3D.

Con la capacità di imaging 3D su nanoscala, i ricercatori possono vedere più interazioni che avvengono all'interno del volume intracellulare senza essere oscurate dalla superficie. Per esempio, Zhang, Sole, e i loro collaboratori stanno utilizzando il sistema per studiare la distribuzione intercellulare delle molecole, osservando come l'RNA viene trasportato e interagisce con gli organelli cellulari prima di essere tradotto in proteine.

"Questo sistema potrebbe avere profonde implicazioni nella biologia molecolare, " disse Zhang.

Sebbene i precedenti sistemi di imaging molecolare utilizzassero filtri ottici per rilevare diversi tipi di molecole in base ai loro colori di emissione ben separati, il nuovo sistema può rilevare minuscole differenze nelle emissioni molecolari da ogni molecola diversa e analizzare lo spettro per differenziarle.

"Ora possiamo codificare a colori ogni singola molecola, " ha detto Sun. "Questo è un punto di forza chiave".

Comprensione dei processi su scala nanometrica

Prossimo, i ricercatori sperano di continuare a perfezionare la tecnologia, così come usarlo negli studi di biologia molecolare.

Stanno lavorando con i collaboratori per studiare la struttura dei pori del nucleo e come è coinvolto nella differenziazione delle cellule staminali, e stanno anche studiando la depolarizzazione della membrana mitocondriale, un evento associato a molte malattie, compresa la perdita della vista nei pazienti diabetici. Sperano anche che la loro tecnologia aiuti gli altri sul campo.

"È un design molto elegante, " ha detto Sun. "Il sistema può essere implementato molto facilmente in altri laboratori, e ha una bella prestazione".