Sei anni fa, il Premio Nobel per la chimica è stato assegnato a tre scienziati per aver trovato modi per visualizzare i percorsi delle singole molecole all'interno delle cellule viventi.

Ora, i ricercatori dell'Università di Rochester e del Fresnel Institute in Francia hanno trovato un modo per visualizzare quelle molecole in modo ancora più dettagliato, mostrando la loro posizione e orientamento in 3-D, e anche come oscillano e oscillano. Il lavoro potrebbe fornire preziose informazioni sui processi biologici coinvolti, Per esempio, quando una cellula e le proteine ​​che ne regolano le funzioni reagiscono al virus che causa il COVID-19.

"Quando una proteina cambia forma, espone altri atomi che potenziano il processo biologico, quindi il cambiamento di forma di una proteina ha un enorme effetto su altri processi all'interno della cellula, "dice Sophie Brasselet, direttore dell'Istituto Fresnel, che ha collaborato con Miguel Alonso e Thomas Brown, entrambi professori di ottica a Rochester.

Soprannominata CHIDO, per "Imaging a super-risoluzione coordinate e altezza con dithering e orientamento", la tecnologia è descritta in un nuovo documento pubblicato su Comunicazioni sulla natura . Progettato e realizzato dagli autori principali Valentina Curcio, un dottorato di ricerca studente nel gruppo di Brasselet, e Luis Aleman-Castaneda, un dottorato di ricerca studente nel gruppo di Alonso, CHIDO è preciso entro "decine di nanometri in posizione e pochi gradi di orientamento" nel determinare i parametri delle singole molecole, ", riferisce la squadra.

Utilizzando una lastra di vetro sottoposta a sollecitazione uniforme intorno alla sua periferia, il dispositivo può creare ed estrapolare oscillazioni di lunghezza d'onda e cambiamenti nella polarizzazione che si verificano quando le molecole vengono osservate in un microscopio a fluorescenza. La nuova tecnologia trasforma l'immagine di una singola molecola in un punto focale distorto, la cui forma codifica direttamente informazioni 3D più precise rispetto ai precedenti strumenti di misurazione. In effetti, CHIDO può produrre fasci che hanno ogni possibile stato di polarizzazione.

"Questa è una delle bellezze dell'ottica, " Dice Brown. "Se hai un dispositivo in grado di creare praticamente qualsiasi stato di polarizzazione, poi hai anche un dispositivo in grado di analizzare qualsiasi possibile stato di polarizzazione."

La lastra di vetro è nata nel laboratorio di Brown come parte del suo lungo interesse per lo sviluppo di fasci con polarizzazioni insolite. Alonso, esperto di teoria della polarizzazione, ha lavorato con Brown sui modi per perfezionare questo "dispositivo molto semplice ma molto elegante" ed espandere le sue applicazioni. Durante una visita a Marsiglia, Alonso descrisse il piatto a Brasselet, un esperto in nuova strumentazione per la fluorescenza e l'imaging non lineare. Brasselet ha immediatamente suggerito il suo possibile utilizzo nelle tecniche di microscopia su cui stava lavorando per l'immagine di singole molecole.

"E' stata una squadra molto complementare, "Dice Brasselet.

20 anni di lavoro

Nel 1873, Ernst Abbe stabilì che i microscopi non avrebbero mai ottenuto una risoluzione migliore della metà della lunghezza d'onda della luce. Quella barriera è rimasta in piedi fino a quando i premi Nobel Eric Betzig e William Moerner, con la loro microscopia a singola molecola, e Stefan Hell, con la sua microscopia a riduzione delle emissioni stimolate, hanno trovato il modo di aggirarla.

"Grazie ai loro risultati, il microscopio ottico può ora scrutare nel nanomondo, " ha riferito il comitato Nobel nel 2014.

"Ciò che mancava in quel Premio Nobel e nel lavoro degli anni successivi era la capacità non solo di conoscere con precisione la posizione di una molecola, ma per poterne caratterizzare la direzione e soprattutto il suo moto in tre dimensioni, "dice Bruno.

Infatti, la soluzione Brown, Alonso, e Brasselet ora descrivono ha avuto le sue origini 20 anni fa.

A partire dal 1999, Brown e uno dei suoi dottorandi. studenti, Kathleen Youngworth, iniziò a studiare fasci ottici insoliti che mostravano schemi insoliti di polarizzazione ottica, l'orientamento dell'onda ottica. Alcuni dei raggi mostravano uno schema radiale simile a un raggio con proprietà intriganti.

Youngworth ha dimostrato su un tavolo che, quando ben focalizzato, i raggi mostravano componenti di polarizzazione che puntavano in quasi tutte le direzioni in tre dimensioni.

Alexis Spilman Vogt, un altro dottorato candidato, poi ha lavorato con Brown per creare gli stessi effetti applicando uno stress ai bordi di un cilindro di vetro. il cognato di Brown, Robert Sansone, uno strumento esperto e uno specialista dello stampo, è stato chiamato a fabbricare alcuni campioni e ad inserirli in anelli metallici per l'uso con un microscopio confocale.

Ciò ha comportato il riscaldamento sia degli anelli di vetro che di metallo. "Il metallo si espande più velocemente quando lo riscaldi rispetto al vetro, "Marrone dice, "e così potevi scaldare molto il vetro e il metallo, inserire il vetro al centro del metallo, e mentre si raffredda, il metallo si restringe e crea una forza tremenda sulla periferia del vetro."

Sampson ha inavvertitamente applicato più stress di quanto richiesto con una delle piastre. Non appena il cognato gliela porse, Brown sapeva che il piatto aveva qualità insolite. Il gruppo di Rochester ha introdotto il termine "ottica stress engineered" per descrivere gli elementi e, man mano che imparavano di più sia sul comportamento fisico che sulla matematica, si resero conto che le finestre potevano essere la strada per risolvere problemi completamente nuovi in ​​microscopia.

E quella fu l'origine di quello che oggi è CHIDO, quale, per coincidenza, sembra essere lo slang messicano per "cool".

"All'epoca io e Alexis sapevamo che il vetro antistress era interessante, e probabilmente avrebbe applicazioni utili; all'epoca non sapevamo cosa potessero essere, "Dice Brown. Ora, grazie alla sua collaborazione con Alonso e Brasselet, spera che CHIDO possa "catturare l'immaginazione" di altri ricercatori nel campo che possono aiutare a perfezionare e applicare ulteriormente la tecnologia.