Nel 2014, W.E. Moerner, l'Harry S. Mosher Professore di Chimica alla Stanford University, ha vinto il Premio Nobel per la chimica per aver co-sviluppato un modo di acquisire forme all'interno delle cellule ad altissima risoluzione, chiamata microscopia a super-risoluzione. Ora, lui e il suo laboratorio hanno creato un nuovo microscopio che produce immagini in nanoscala 3-D di cellule di mammifero nella loro interezza.

"Una cellula ha un'intera città di proteine, enzimi e strutture che lavorano tutto il tempo, "Moerner ha detto. "Abbiamo qualche idea di cosa c'è in una cellula - molti di noi hanno familiarità con i disegni dei mitocondri o del reticolo endoplasmatico - ma è un'idea media. Quando osserviamo le singole cellule, riconosciamo che non sono tutti esattamente come le immagini che abbiamo nei libri di testo".

Il laboratorio Moerner unisce chimica, fisica, ottica e ingegneria per creare modi migliori di scrutare all'interno delle cellule per vedere il funzionamento delle singole molecole. Collaborando con molti altri laboratori, il gruppo si concentra su argomenti biologici, come misurare le strutture delle fibre proteiche legate alla malattia di Huntington, osservando l'organizzazione dei singoli filamenti di DNA nel nucleo e documentando i cambiamenti strutturali nelle cellule durante i trattamenti medici.

Pancake e magia

Il nuovo microscopio, che i ricercatori chiamano TILT3D e che è stato descritto di recente in un articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura , combina due nuove tecniche di imaging con la microscopia a super risoluzione per acquisire immagini 3D molto chiare di strutture e singole molecole all'interno di una cellula.

Una delle due nuove tecniche, nota come illuminazione inclinata del foglio di luce, risolve i problemi di messa a fuoco e funzionalità che si verificano con le tecniche di illuminazione esistenti. Nella maggior parte dei microscopi ottici, il campione cellulare è illuminato dal basso.

"Questo è un problema se si desidera indagare sui dettagli di una cella perché porta a immagini visivamente sfocate in cui solo alcune parti sono a fuoco, come una foto scattata da una lunga distanza, " ha detto Anna-Karin Gustavsson, un borsista post-dottorato nel laboratorio Moerner e autore principale dell'articolo.

L'illuminazione standard del foglio di luce aggira questo problema facendo entrare solo una fetta di luce dal lato per ottenere un'illuminazione simile a una frittella del campione. Anche con questo vantaggio, se provi a far brillare un lenzuolo leggero sul fondo di una cella, rimbalza sull'angolo della camera contenente il campione, che distorce l'immagine. Inclinando il lenzuolo leggero, il laboratorio Moerner evita di colpire l'angolo.

Oltre a eliminare l'ingombro visivo inclinando il lenzuolo leggero, il nuovo microscopio include un metodo ottico per l'imaging in 3-D. Per realizzare questo, i ricercatori etichettano le molecole nel campione cellulare con sostanze chimiche che diventano fluorescenti quando accese e utilizzano additivi chimici per farle lampeggiare brillantemente. Quindi, attraverso ciò che Moerner chiama "magia ottica, " il gruppo regola il microscopio per convertire ogni lampeggio fluorescente in due punti di luce ad angoli diversi. Con questi due punti, i ricercatori possono ottenere la posizione di ogni molecola in tre dimensioni, che informa l'immagine 3-D finale.

Impilando le loro immagini 3D fritte l'una sull'altra, i ricercatori possono creare una ricostruzione dall'alto verso il basso di una cellula. L'imaging a foglio di luce inclinato consente inoltre di tracciare il movimento 3D delle molecole nel tempo con una precisione di decine di nanometri, che potrebbe catturare il legame delle molecole, muovendosi da motori o viaggiando casualmente attraverso le strutture della cellula.

Combinando l'immagine nitida di TILT3D e le capacità 3D con le tecniche di super risoluzione esistenti, il microscopio può creare immagini precise a super-risoluzione - fino a decine di nanometri o circa 4, 000 volte più piccolo di un capello umano è spesso. Questo apre nuove opportunità per produrre immagini 3D dettagliate delle strutture cellulari dei mammiferi, anche di quelli che in precedenza erano troppo densi per essere visualizzati chiaramente.

Pronto a condividere

Come parte del loro documento, Moerner ei membri del suo laboratorio hanno testato con successo il loro microscopio su strutture cellulari note. Stanno già guidando altri laboratori attraverso il processo di duplicazione di questo microscopio. Il design può essere un'aggiunta modulare ai microscopi ottici esistenti. Nel futuro, sperano che la loro immagine 3D con illuminazione a foglio di luce inclinata venga utilizzata per un numero qualsiasi di progetti.

"TILT3D è più semplice di altri microscopi progettati per l'imaging di questi campioni difficili, e può essere utilizzato per l'imaging sia di strutture statiche che di molecole in movimento", ha affermato Gustavsson, che è in parte supportato da una borsa di studio post-dottorato del Karolinska Institutet in Svezia. "L'abbiamo progettato per essere versatile, non vincolato a una domanda specifica."

I ricercatori continueranno a lavorare su TILT3D, in particolare sulla combinazione di informazioni statiche e dinamiche provenienti da diverse proteine. Accanto alle loro numerose altre innovazioni e studi nell'imaging cellulare, sperano che questa tecnologia possa consentire a loro e ad altri di saperne di più sulle strutture e sui processi delle cellule, una molecola alla volta.