I ricercatori tedeschi dell'Helmholtz-Zentrum di Berlino hanno sviluppato un nuovo microscopio per nanotomografia a raggi X. Usando il loro nuovo sistema, possono rivelare le strutture sui più piccoli componenti delle cellule di mammifero in tre dimensioni.

Per la prima volta, non è necessario fissare chimicamente, macchiare o tagliare le cellule per studiarle. Anziché, intere cellule viventi vengono congelate velocemente e studiate nel loro ambiente naturale. Il nuovo metodo fornisce un'immagine 3D immediata, colmando così un divario tra le tecniche microscopiche convenzionali.

Il nuovo microscopio fornisce un'immagine 3D ad alta risoluzione dell'intera cellula in un unico passaggio. Questo è un vantaggio rispetto alla microscopia elettronica, in cui un'immagine 3D è assemblata da molte sezioni sottili. Questo può richiedere fino a settimane per una sola cella. Anche, la cellula non deve essere etichettata con coloranti, a differenza della microscopia a fluorescenza, dove solo le strutture etichettate diventano visibili. Il nuovo microscopio a raggi X sfrutta invece il contrasto naturale tra materiale organico e acqua per formare un'immagine di tutte le strutture cellulari. Il Dr. Gerd Schneider e il suo team di microscopia presso l'Institute for Soft Matter and Functional Materials hanno pubblicato il loro sviluppo in Metodi della natura .

Con l'alta risoluzione raggiunta dal loro microscopio, i ricercatori, in collaborazione con i colleghi del National Cancer Institute negli USA, hanno ricostruito cellule di adenocarcinoma di topo in tre dimensioni. Erano visibili i più piccoli dettagli:la doppia membrana del nucleo cellulare, pori nucleari nell'involucro nucleare, canali di membrana nel nucleo, numerose invaginazioni della membrana mitocondriale interna e inclusioni in organelli cellulari come i lisosomi. Tali intuizioni saranno cruciali per far luce sui processi interni alle cellule:come il modo in cui virus o nanoparticelle penetrano nelle cellule o nel nucleo, Per esempio.

Questa è la prima volta che la cosiddetta ultrastruttura delle cellule è stata ripresa con i raggi X con una tale precisione, fino a 30 nanometri. Dieci nanometri sono circa un decimillesimo della larghezza di un capello umano. L'ultrastruttura è la struttura dettagliata di un campione biologico che è troppo piccolo per essere visto con un microscopio ottico.

I ricercatori hanno raggiunto questa alta risoluzione 3D illuminando le strutture minute dell'oggetto congelato-idrato con luce parzialmente coerente. Questa luce è generata da BESSY II, la sorgente di sincrotrone a HZB. La coerenza parziale è la proprietà di due onde la cui fase relativa subisce fluttuazioni casuali che non lo sono, però, sufficiente per rendere l'onda completamente incoerente. L'illuminazione con luce coerente parziale genera un contrasto significativamente più elevato per i dettagli di piccoli oggetti rispetto all'illuminazione incoerente. Combinando questo approccio con un obiettivo ad alta risoluzione, i ricercatori sono stati in grado di visualizzare le ultrastrutture delle cellule con un contrasto mai raggiunto prima.

Il nuovo microscopio a raggi X consente inoltre di avere più spazio intorno al campione, che porta a una migliore visione spaziale. Questo spazio è sempre stato molto limitato dalla configurazione per l'illuminazione del campione. La luce a raggi X monocromatica richiesta è stata creata utilizzando una griglia radiale e quindi, da questa luce, un diaframma selezionerebbe la gamma di lunghezze d'onda desiderata. Il diaframma doveva essere posizionato così vicino al campione che non c'era quasi spazio per girare il campione. I ricercatori hanno modificato questa configurazione:la luce monocromatica viene raccolta da un nuovo tipo di condensatore che illumina direttamente l'oggetto, e il diaframma non è più necessario. Ciò consente al campione di essere ruotato fino a 158 gradi e osservato in tre dimensioni. Questi sviluppi forniscono un nuovo strumento nella biologia strutturale per una migliore comprensione della struttura cellulare.