Gli scienziati della National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) presso il Brookhaven National Laboratory del DOE, hanno utilizzato raggi X ultraluminosi per acquisire immagini di singoli batteri con una risoluzione spaziale più elevata che mai . Il loro lavoro, pubblicato in Rapporti scientifici , dimostra una tecnica di imaging a raggi X, chiamata microscopia a fluorescenza a raggi X (XRF), come un approccio efficace per produrre immagini 3D di piccoli campioni biologici.

"Per la prima volta, abbiamo usato XRF su scala nanometrica per visualizzare i batteri fino alla risoluzione di una membrana cellulare, "ha detto Lisa Miller, uno scienziato presso NSLS-II e coautore del documento. "L'imaging delle cellule a livello della membrana è fondamentale per comprendere il ruolo delle cellule in varie malattie e sviluppare trattamenti medici avanzati".

La risoluzione record delle immagini a raggi X è stata resa possibile dalle capacità avanzate della linea di luce Hard X-ray Nanoprobe (HXN), una stazione sperimentale presso NSLS-II con una nuova ottica di nanofocalizzazione e un'eccezionale stabilità.

"HXN è la prima linea di luce XRF a generare un'immagine 3D con questo tipo di risoluzione, " ha detto Miller.

Mentre altre tecniche di imaging, come la microscopia elettronica, può visualizzare la struttura di una membrana cellulare con una risoluzione molto alta, queste tecniche non sono in grado di fornire informazioni chimiche sulla cellula. In HXN, i ricercatori potrebbero produrre mappe chimiche 3D dei loro campioni, identificare dove si trovano gli oligoelementi in tutta la cellula.

"In HXN, prendiamo un'immagine di un campione in un angolo, ruotare il campione all'angolo successivo, prendi un'altra immagine, e così via, "ha detto Tiffany Victor, autore principale dello studio e scienziato presso NSLS-II. "Ogni immagine mostra il profilo chimico del campione con quell'orientamento. Quindi, possiamo unire questi profili per creare un'immagine 3D."

Miller ha aggiunto, "Ottenere un'immagine XRF 3D è come confrontare una normale radiografia che puoi ottenere nello studio del medico con una TAC."

Le immagini prodotte da HXN hanno rivelato che due oligoelementi, calcio e zinco, avevano distribuzioni spaziali uniche nella cellula batterica.

"Crediamo che lo zinco sia associato ai ribosomi nei batteri, " ha detto Victor. "I batteri non hanno molti organelli cellulari, a differenza di una cellula eucariotica (complessa) che ha mitocondri, un nucleo, e molti altri organelli. Così, non è il campione più eccitante da immaginare, ma è un bel sistema modello che dimostra superbamente la tecnica di imaging."

Yong Chu, chi è lo scienziato capo della linea di luce di HXN, afferma che la tecnica di imaging è applicabile anche a molte altre aree di ricerca.

"Questa tecnica di imaging chimico 3-D o nanotomografia a fluorescenza sta guadagnando popolarità in altri campi scientifici, " Chu ha detto. "Per esempio, possiamo visualizzare come si trasforma la struttura interna di una batteria mentre viene caricata e scaricata."

Oltre a rompere le barriere tecniche sulla risoluzione dell'imaging a raggi X con questa tecnica, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo per l'imaging dei batteri a temperatura ambiente durante le misurazioni a raggi X.

"Idealmente, L'imaging XRF dovrebbe essere eseguito su campioni biologici congelati che sono crioconservati per prevenire danni da radiazioni e per ottenere una comprensione più fisiologicamente rilevante dei processi cellulari, " ha detto Victor. "A causa dei vincoli di spazio nella camera dei campioni di HXN, non siamo stati in grado di studiare il campione utilizzando un criostage. Anziché, abbiamo incorporato le cellule in piccoli cristalli di cloruro di sodio e ripreso le cellule a temperatura ambiente. I cristalli di cloruro di sodio hanno mantenuto la forma a bastoncino delle cellule, e hanno reso le cellule più facili da individuare, riducendo il tempo di esecuzione dei nostri esperimenti."

I ricercatori affermano che a dimostrazione dell'efficacia della tecnica di imaging a raggi X, così come il metodo di preparazione del campione, è stato il primo passo di un progetto più ampio per l'immagine di oligoelementi in altre cellule biologiche su scala nanometrica. Il team è particolarmente interessato al ruolo del rame nella morte dei neuroni nella malattia di Alzheimer.

"Tracce di elementi come il ferro, rame, e lo zinco sono essenziali dal punto di vista nutrizionale, ma possono anche svolgere un ruolo nella malattia, "Ha detto Miller. "Stiamo cercando di capire la posizione subcellulare e la funzione delle proteine ​​contenenti metalli nel processo della malattia per aiutare a sviluppare terapie efficaci".