Quando le città si trasformano in un colorato mondo di luci al calare dell'oscurità, spesso è solo possibile stimarne i contorni, che a seconda della prospettiva possono attirare l'attenzione su dettagli chiave o curiosità. Nella microscopia a fluorescenza, le cellule biologiche sono contrassegnate con coloranti fluorescenti ed eccitate per luminescenza in aree specifiche da interruttori ottici, come una città di notte. Tuttavia, questa luce è solitamente troppo debole per oggetti piccoli e veloci o addirittura si spegne dopo un po'. Questo è noto come "sbiancamento a fluorescenza".

Ora, un nuovo approccio sviluppato dal Prof. Dr. Alexander Rohrbach e dal suo team nel Laboratorio di Bio- e Nano-Fotonica dell'Università di Friburgo ha trovato un modo per rendere gli oggetti più piccoli chiaramente visibili senza fluorescenza. In questo modo, le strutture cellulari o le particelle delle dimensioni di un virus possono essere osservate da 100 a 1.000 volte più a lungo, da dieci a 100 volte più velocemente e con una risoluzione quasi doppia rispetto alla microscopia a fluorescenza. Mentre la microscopia a fluorescenza registra quelle che potresti chiamare "immagini notturne" di strutture, la microscopia ROCS acquisisce "immagini diurne", opposti che possono completarsi a vicenda in modo eccellente. Rohrbach ei suoi colleghi descrivono varie applicazioni della tecnologia nell'ultimo numero di Nature Communications .

Il laser blu diretto illumina l'oggetto ad angolo obliquo

La tecnologia che utilizzano è nota come "Rotating Coherent Scattering" (ROCS) e utilizza un raggio laser blu a rotazione rapida. "Stiamo sfruttando diversi fenomeni fisici familiari dalla vita di tutti i giorni", spiega Rohrbach, "In primo luogo, piccoli oggetti come molecole, virus o strutture cellulari diffondono o distribuiscono maggiormente la luce blu, che è nota dalle molecole d'aria nell'atmosfera e che percepiamo come un cielo azzurro." Piccoli oggetti diffondono e dirigono circa dieci volte più particelle di luce blu rispetto a quella rossa verso la fotocamera e quindi trasmettono informazioni preziose.

In secondo luogo, ROCS punta un laser blu con un angolo molto obliquo sugli oggetti biologici, perché questo aumenta notevolmente il contrasto e la risoluzione. Anche questo ci è già familiare:se tieni un bicchiere di vino inclinato rispetto alla luce, è molto più facile individuare lo sporco o le impronte digitali. In terzo luogo, gli scienziati illuminano l'oggetto successivamente da ciascuna direzione con il raggio laser obliquo, perché l'illuminazione da una sola direzione produrrebbe molti artefatti.

100 immagini al secondo di cellule viventi

Il fisico e gli ingegneri di Friburgo del Dipartimento di ingegneria dei microsistemi (IMTEK) ruotano il raggio laser obliquo cento volte al secondo attorno all'oggetto, producendo così 100 immagini al secondo. "Quindi in dieci minuti abbiamo già 60.000 immagini di cellule viventi, che risultano essere molto più dinamiche di quanto si pensasse in precedenza", afferma Rohrbach. Tuttavia, analisi dinamiche come questa richiedono un'enorme potenza di calcolo per elaborare solo un minuto di materiale visivo. Pertanto, è stato necessario sviluppare prima una varietà di algoritmi informatici e processi analitici in modo che i dati potessero essere interpretati correttamente.

Insieme al suo collega Dr. Felix Jünger e in collaborazione con vari gruppi di ricerca di Friburgo, Rohrbach è stato in grado di dimostrare la capacità del microscopio utilizzando vari sistemi cellulari:"Il nostro obiettivo principale non era generare belle immagini o filmati dalla dinamica inaspettatamente elevata di cellule:volevamo ottenere nuove intuizioni biologiche". Ad esempio, la tecnologia ROCS ha consentito loro di osservare come i mastociti aprono piccoli pori in pochi millisecondi quando stimolati, al fine di espellere granuli sferici a una forza e una velocità inspiegabilmente elevate. I granuli contengono l'istamina trasmittente, che può successivamente portare a reazioni allergiche.

Osservazione del comportamento di legame delle particelle delle dimensioni di un virus

In un'altra serie di esperimenti, i ricercatori sono stati in grado di osservare come minuscole particelle delle dimensioni di un virus danzano a velocità incredibile attorno alla superficie irregolare delle cellule scavenger, facendo diversi tentativi per trovare un punto di legame sulla cellula. Queste osservazioni sono servite come pretest per gli studi attualmente in corso sul comportamento vincolante dei coronavirus.

Inoltre, la tecnologia ROCS è stata utilizzata all'interno del cluster di ricerca collaborativa CRC 1425 sulla formazione di cicatrici nelle lesioni cardiache. I fibroblasti, cioè le cellule del tessuto cicatriziale, formano tubi sottili di 100 nanometri, i cosiddetti nano-tubi, che sono 1.000 volte più sottili di un capello. Grazie a questa nuova tecnologia, Jünger e Rohrbach sono stati in grado di scoprire che questi tubi vibrano termicamente su una scala di millisecondi, ma questo movimento diminuisce nel tempo. Secondo analisi matematiche di attività, ciò indica un irrigidimento meccanico dei nanotubi.

In altri esperimenti gli scienziati sono stati finalmente in grado di osservare su molte migliaia di immagini come i filopodi, le "dita" delle cellule scavenger, cercano nel loro ambiente la preda usando un complesso movimento di tremore e come i filopodi possono alterare il loro citoscheletro a velocità precedentemente sconosciute. + Esplora ulteriormente

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