Rohit Bhargava con il ricercatore post-dottorato Kevin Yeh, che ha progettato il microscopio a infrarossi personalizzato utilizzato per questo studio. Questa foto è stata scattata nel febbraio 2020. Credito:L. Brian Stauffer, Università dell'Illinois Urbana-Champaign.
I ricercatori hanno sviluppato un microscopio spettroscopico per consentire misurazioni ottiche delle conformazioni e degli orientamenti molecolari nei campioni biologici. La nuova tecnica di misurazione consente ai ricercatori di visualizzare campioni biologici a livello microscopico in modo più rapido e accurato.
Il nuovo strumento si basa sulla tecnica di imaging spettroscopico a infrarossi a frequenza discreta sviluppata dai ricercatori del Beckman Institute for Advanced Science and Technology dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign.
"Questo progetto mira a portare lo studio della chiralità molecolare nel dominio microscopico, " disse Rohit Bhargava, un professore di bioingegneria, e il direttore del Cancer Center dell'Illinois.
La chiralità molecolare si riferisce all'orientamento spaziale degli atomi nelle molecole o negli assiemi multimolecolari. Nei sistemi biologici, una molecola può suscitare una risposta cellulare, mentre la sua immagine speculare potrebbe essere inattiva o addirittura tossica. Mentre il dicroismo circolare vibrazionale può essere impiegato per aiutare a determinare la struttura chimica e l'orientamento di una molecola, Le misurazioni VCD richiedono molto tempo e non potevano essere utilizzate in precedenza per l'immagine di sistemi biologici complessi o campioni di tessuti solidi.
Il documento "Concurrent Vibrational Circular Dichroism Measurements with Infrared Spectroscopic Imaging" è stato pubblicato in Chimica analitica e presente in copertina.
Rohit Bhargava e lo studente laureato Yamuna Phal analizzano un'immagine microscopica di tessuto solido. Questa foto è stata scattata nel febbraio 2020. Credito:L. Brian Stauffer, Università dell'Illinois Urbana-Champaign
Il nuovo microscopio a infrarossi rende possibile l'imaging della chiralità delle biomolecole accelerando sia il tempo di acquisizione che migliorando il rapporto segnale-rumore delle tecniche VCD tradizionali. "Quando invii la luce in un microscopio da uno spettrometro, essenzialmente ne stai buttando via molto, " Bhargava ha detto. "Per le misurazioni VCD, devi anche inviarlo tramite un modulatore fotoelastico, che cambia la polarizzazione della luce in sinistrorsa o destrorsa. A quel punto, non ti rimane molta luce, il che significa che devi calcolare la media del segnale per molto tempo per vedere solo un pixel all'interno di un'immagine."
Il Laboratorio di Immagini e Strutture Chimiche, guidato da Bhargava, hanno ottenuto misurazioni rapide e simultanee a infrarossi e VCD basandosi sulla struttura del loro microscopio per imaging a infrarossi a frequenza discreta ad alte prestazioni. Invece di utilizzare una tradizionale fonte di luce termica, lo strumento è costruito attorno a un laser a cascata quantistica.
"La sorgente laser ha motivato l'intero progetto, " disse Yamuna Phal, uno studente laureato ricercatore in ingegneria elettrica e informatica. "La sorgente QCL ha una potenza maggiore, il che significa che possiamo acquisire misurazioni più veloci. In precedenza, potevi eseguire VCD solo su campioni liquidi, ma possiamo anche immaginare i tessuti solidi. Questo non è mai stato tentato prima perché ci vuole così tanto tempo per acquisire segnali VCD in primo luogo."
Kevin Yeh, un associato di ricerca post-dottorato, che ha co-diretto lo sviluppo del microscopio, ha affermato che altre applicazioni potrebbero derivare dal microscopio costruito per questo progetto. "Inizialmente abbiamo immaginato il microscopio a infrarossi a frequenza discreta come una piattaforma su cui poter costruire altre tecniche, " Yeh ha detto. "Abbiamo risolto una di queste estensioni, che è VCD, ma potremmo immaginarne molti altri".
Sebbene le applicazioni di questa tecnica possano abbracciare le scienze biologiche, il lavoro stesso è una testimonianza della forza della scienza interdisciplinare. "Questo progetto è stato possibile solo unendo il pensiero di diversi campi, " ha detto Bhargava. "È un problema di chimica risolto da un progetto basato sulla fisica, realizzato da uno studente di ingegneria elettrica. È nel nostro DNA in Beckman adottare questo tipo di approccio alla risoluzione dei problemi".