Abbiamo tutti sentito, e visto, come un'immagine dipinge più di mille parole. Ora, in una svolta scientifica su quel detto, ricercatori del National High Magnetic Field Laboratory (National MagLab) con sede alla Florida State University, stanno creando immagini che dipingono migliaia di molecole.

Utilizzando uno strumento straordinariamente potente, gli scienziati hanno perfezionato una tecnica chiamata imaging di spettrometria di massa (MSI) che traduce risme di dati in immagini dettagliate della composizione molecolare dei campioni biologici. Il loro lavoro, pubblicato questa settimana in Chimica analitica , presenta immagini con una risoluzione di massa così elevata che ogni colore nell'immagine rappresenta un tipo distinto di molecola.

MSI non è nuovo. Per anni, gli scienziati hanno utilizzato la tecnica per convertire le analisi di spettrometria di massa della composizione chimica di un campione in rappresentazioni spaziali che mostrano quali molecole si trovano e dove.

Ciò che è diverso ora, ha spiegato il chimico del National MagLab Don Smith, autore corrispondente dello studio, è l'ampiezza e la profondità dei dati generati con lo spettrometro di massa a risonanza ciclotronica ionica (ICR) a 21 tesla del laboratorio, record mondiale, chiamato "21-T" in breve. Tesla è un'unità di intensità del campo magnetico; un magnete da frigorifero ha un campo di circa 0,01 tesla e un tipico magnete per risonanza magnetica ospedaliera ha un campo di 2 o 3 tesla.

Il 21-T consente alle immagini di spettrometria di massa di diventare ad altissima definizione, con molti più pixel che compongono l'immagine.

"Mi piace pensare a questo come alla maggior parte delle informazioni per pixel:quante informazioni chimiche possiamo ottenere da ciascun pixel in un determinato periodo di tempo, " ha detto Smith. "Stiamo osservando nuove molecole che non sono mai state osservate, mai stata risolta in massa nei tessuti prima d'ora."

L'anno scorso, Smith ha collaborato con Ron Heeren del Maastricht MultiModal Molecular Imaging Institute presso l'Università di Maastricht nei Paesi Bassi. Con la loro squadra, gli scienziati hanno condotto un mese di esperimenti nel 21-T, esaminando il tessuto cerebrale di ratti sani. In ogni esperimento di 24 ore, si sono concentrati su biomolecole specifiche. Nei due set di dati esaminati per il Chimica analitica articolo, il team ha cercato determinati lipidi, una classe di biomolecole che svolgono funzioni critiche nel corpo, anche nelle membrane cellulari.

Gli spettrometri di massa sono bilance molecolari fantasiose che utilizzano un forte magnete per identificare ogni molecola in una sostanza in base alla sua massa unica. Le molecole devono prima ricevere una carica positiva o negativa (ionizzata) in modo che il magnete possa rilevarle. Il team ha utilizzato una tecnica chiamata ionizzazione del desorbimento laser assistita da matrice (o MALDI), utilizzato per la prima volta sul 21-T per questo progetto con uno strumento speciale spedito da Maastricht a Tallahassee. Con questa configurazione, erano in grado di vaporizzare metodicamente, ionizzare e misurare un capello di tessuto alla volta, ciascuno contenente migliaia di molecole. In questo modo, poco a poco, hanno accumulato misurazioni che un software speciale ha convertito in una mappa simile alla risonanza magnetica della distribuzione spaziale delle molecole.

"Ha funzionato subito, " ha detto Smith degli esperimenti. "È stata una sorpresa molto piacevole".

Il 21-T, acquisita dal National MagLab nel 2014 con il finanziamento della Divisione di Chimica della National Science Foundation, si è rivelata una scala sorprendentemente sensibile. Smith ha notato che gli scienziati sono stati in grado di separare due molecole con una differenza di peso molecolare di circa tre elettroni, circa 0,00179 dalton (l'unità di massa molecolare) o solo una piccola frazione del peso di una molecola d'acqua.

"Questo è il motivo per cui veniamo al MagLab, "Heeren ha detto, "per spingere i confini dell'imaging e vedere i dettagli molecolari che altrimenti rimarrebbero nascosti".

Il 21-T ha dimostrato di essere uno strumento straordinariamente versatile, ha detto Chris Hendrickson, direttore della struttura ICR del laboratorio e coautore del documento.

"Gli esperimenti che ha consentito hanno spaziato dalla biologia medica ai contaminanti ambientali emergenti, " Egli ha detto.

Smith ha affermato che questa tecnica potrebbe diventare un potente strumento per la ricerca sanitaria. Attualmente il 21-T è abitualmente utilizzato per esaminare la composizione molecolare di, tra gli altri tipi di campioni, proteine ​​complesse. I futuri esperimenti MALDI potrebbero rivelare non solo quali molecole sono presenti, ma precisamente dove in un campione di tessuto si trova ciascuno.

I ricercatori sul cancro potrebbero usare la tecnica per esaminare, a livello molecolare, esattamente dove e come un farmaco viaggia attraverso il tessuto malato; un altro scienziato potrebbe studiare come un organismo risponde all'esposizione a un inquinante. I ricercatori potrebbero persino essere in grado di confrontare tra loro esempi dello stesso tipo di cellula per rilevare sottili differenze molecolari.

Quanto a Smith, lui e la sua squadra hanno il loro bel da fare, con molti dati in attesa di analisi.

"In pratica abbiamo provato un po' di tutto, " ha detto Smith degli esperimenti dell'anno scorso.

Sono due set di dati giù, 26 per andare.

Oltre a Smith, Heeren e Hendrickson, i contributori all'articolo includevano Andrew Bowman (primo autore) e Shane Ellis dell'Università di Maastricht e lo scienziato del National MagLab Greg Blakney. La strumentazione MALDI utilizzata per gli esperimenti è stata resa disponibile con il supporto della provincia olandese del Limburgo.