Un gruppo di ricerca della Northwestern University ha sviluppato un nuovo metodo per condurre la nanoscopia spettroscopica, un approccio che potrebbe aiutare i ricercatori a comprendere interazioni biomolecolari più complesse e caratterizzare cellule e malattie a livello di singola molecola.

Il nuovo sistema, chiamata microscopia di localizzazione a singola molecola spettroscopica a dispersione asimmetrica (SDsSMLM), si basa su tecniche sSMLM esistenti sviluppate presso la McCormick School of Engineering per fornire un'analisi spettroscopica di singole molecole più precisa per studiare come le cellule alla base di determinati tumori, o malattie come la retinopatia diabetica, funzionare nei loro ambienti localizzati.

Mentre le attuali tecniche di microscopia spettroscopica di localizzazione di singole molecole raggiungono simultaneamente l'imaging a super-risoluzione e la spettroscopia di singole molecole, gli attuali progetti sSMLM soffrono di una ridotta risoluzione delle immagini e precisione spettrale. Ciò è causato dal sistema che divide un numero finito di fotoni emessi, particelle atomiche che trasmettono luce elettromagnetica, tra due canali separati per l'imaging spaziale e spettrale.

"Non dovremmo accontentarci di sapere solo dove si trova una particolare molecola o dove si trovano molte molecole senza differenziare le loro proprietà, " disse Hao Zhang, professore di ingegneria biomedica, che ha condotto la ricerca. "Il nostro approccio ci consente di utilizzare appieno tutti i fotoni di ciascuna emissione sia per l'imaging spaziale che per le analisi spettrali. Di conseguenza, abbiamo notevolmente migliorato la risoluzione dell'imaging spaziale e la precisione spettrale rispetto alle tecniche sSMLM esistenti."

Un documento che descrive il lavoro, intitolato "Microscopia di localizzazione di singole molecole spettroscopiche a dispersione simmetrica, " è stato pubblicato il 25 maggio sulla rivista Luce:scienza e applicazioni . Cheng Sole, professore di ingegneria meccanica, era un coautore sulla carta.

A differenza degli approcci sSMLM esistenti, che spesso utilizzano un rapporto 1:3 per dividere le foto tra i canali spaziali e spettrali, SDsSMLM impegna tutte le foto disponibili per creare due immagini spettrali speculari. Questo approccio estrae le informazioni spettrali alla massima risoluzione possibile. Inoltre, perché le immagini sono simmetriche, i ricercatori possono ancora identificare le informazioni spaziali identificando il punto medio tra le due immagini spettrali.

Rispetto a un sSMLM esistente che utilizza lo stesso numero di foto, i ricercatori hanno scoperto che SDsSMLM ha migliorato la precisione spaziale del 42% e la precisione spettrale del 10%.

"Ci siamo resi conto che l'informazione spaziale è totalmente trascurata nell'immagine spettrale nelle tecniche sSMLM esistenti, " ha detto Zhang. "Questo approccio ci consente di applicare tutti i fotoni disponibili per l'analisi spettrale per spingere il limite di risoluzione e allo stesso tempo acquisire immagini spaziali".

Quando utilizzato insieme a tecniche di imaging spettroscopico a singola molecola, SDsSMLM può essere adattato per l'imaging cellulare 3D, uno strumento essenziale nella biologia cellulare e nella scienza dei materiali che consente ai ricercatori di monitorare il modo in cui le cellule interagiscono nei loro ambienti.

"Questa tecnica vale per tutte le molecole, indipendentemente dai loro spettri di emissione e dalle minime variazioni spettrali, anche tra la stessa specie di molecole, " ha detto Zhang. "Con una migliore risoluzione spaziale e precisione spettrale, sSMLM troverà applicazioni più ampie nell'imaging multimolecolare nelle cellule e nel tracciamento tridimensionale di singole nanoparticelle nelle indagini biologiche e chimiche".

Oltre alle capacità di imaging avanzate del sistema, La natura compatta di SDsSMLM consente una facile integrazione e un funzionamento affidabile con i sistemi di microscopi a fluorescenza convenzionali. In combinazione con un plug-in open source sviluppato dai ricercatori chiamato RainbowSTORM, Zhang spera che altri membri della comunità di ricerca biologica incorporino questa tecnica avanzata all'interno del proprio lavoro.

"Il nostro design è autonomo e può essere installato nella maggior parte dei sistemi di microscopi, " ha detto Zhang. "Speriamo che altri ricercatori traggano vantaggio da ciò che abbiamo creato".