Il campo della ricerca sulla microscopia ottica si è sviluppato rapidamente negli ultimi anni. Grazie all'invenzione di una tecnica chiamata microscopia a fluorescenza a super risoluzione, recentemente è diventato possibile visualizzare anche le parti più piccole di una cellula vivente. Ora, apportando un intelligente perfezionamento a quella tecnica, i ricercatori della TU Delft hanno spinto ulteriormente i suoi confini. Dove in precedenza si potevano osservare oggetti che misuravano fino a 10-20 nanometri, il loro metodo consente di concentrarsi su strutture di appena 3 nanometri di diametro.

I microscopi fatti in casa di Antoni van Leeuwenhoek, commerciante di stoffe di Delft e scienziato, avevano una risoluzione inferiore a un micrometro, che gli ha permesso di osservare strutture come batteri e spermatozoi. Ma anche nel Seicento, Van Leeuwenhoek si stava già avvicinando al cosiddetto 'limite di diffrazione', un confine teorico oltre il quale due punti adiacenti non possono essere distinti al microscopio ottico. Questo limite è determinato in parte dalla lunghezza d'onda della luce utilizzata. Secondo la teoria, la dimensione massima dell'oggetto che è possibile riprendere utilizzando un microscopio convenzionale è metà di quella lunghezza d'onda. Qualsiasi cosa più piccola è impossibile da mettere a fuoco.

Il limite di diffrazione è stato a lungo considerato un confine rigido, determinato dalle leggi della natura. Ma applicando trucchi intelligenti, i fisici alla fine riuscirono ad attraversarlo. Non molto tempo fa, nel 2014, il Premio Nobel per la Chimica è stato assegnato ai tre ricercatori che hanno inventato la soluzione alternativa, nota come "microscopia a fluorescenza a super risoluzione". In questa tecnica, alcune proteine ​​o molecole sono rese fluorescenti dalla modificazione genetica. Il debole segnale luminoso che emettono può quindi essere catturato con l'aiuto di un microscopio ottico. "In pratica, anche se, " dice il ricercatore Bernd Rieger, "il problema nel rendere fluorescenti le proteine ​​è che non si possono etichettare tutte quelle di un particolare tipo. Solo il 30-50 per cento di esse, al massimo. Quando poi inizi a prendere le misure, vedi solo un numero di singoli punti luminosi, non la struttura completa che stai cercando di visualizzare."

Per risolvere il problema, i ricercatori di Delft hanno ideato un adattamento alla microscopia a super risoluzione. Questo è paragonabile a ciò che è noto in fotografia come "compositing":impilare più immagini per creare un'unica immagine composta. "La media delle informazioni provenienti da diverse misurazioni era già stata eseguita in microscopia elettronica, " spiega il ricercatore Sjoerd Stallinga. "Ma questa è una tecnologia completamente diversa. Il nostro dottorando Hamidreza Heydarian ha impiegato due anni per convertire la tecnica per l'uso in microscopia ottica".

Un problema era che combinando centinaia, se non migliaia, di "istantanee" richiede enormi quantità di potenza di elaborazione. Con un normale computer, ci sono voluti diversi giorni per costruire un'immagine chiara da tutti i dati. "Fortunatamente, "dice Rieger, "grazie all'industria dei giochi per computer, abbiamo accesso a schede grafiche in grado di eseguire calcoli estremamente bene in parallelo." Un programmatore del Netherlands eScience Center di Amsterdam si è unito al progetto e ha convertito un algoritmo esistente per i normali PC in uno che i ricercatori potessero eseguire su tale scheda grafica. Di conseguenza , le misurazioni possono ora essere combinate in un'unica immagine entro poche ore.

Questa ricerca sta riducendo il divario tra la microscopia elettronica e quella ottica, che è importante perché le due tecniche forniscono risultati diversi e quindi sono complementari, ma sono ancora molto distanti in termini di possibilità. "I migliori microscopi elettronici sono da 30 a 50 volte più potenti di quelli ottici migliori, " dice Stallinga. "Avvicinare i due mondi potrebbe portare a nuove intuizioni biologiche".

Secondo i ricercatori, la loro tecnica – che sta già raggiungendo risoluzioni a livello dei tre nanometri – dovrebbe consentire alla fine di visualizzare strutture di appena un nanometro. Al di sotto di tale soglia, le dimensioni delle etichette fluorescenti diventano un fattore limitante.

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Metodi della natura .