I pescatori esperti sanno che le acque mosse rendono difficile la pesca, quindi cercano di non scuotere la barca. Grazie a una nuova tecnica di microscopia, i ricercatori di biologia cellulare possono seguire lo stesso consiglio.

I ricercatori dell'Università dell'Illinois hanno sviluppato un metodo che chiamano "trolling AFM, " che consente loro di studiare campioni biologici morbidi in liquidi con alta risoluzione e alta qualità. Guidati dal professore di scienze meccaniche e ingegneria Min-Feng Yu, il gruppo ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista Nanotecnologia .

"Abbiamo sviluppato un metodo altamente sensibile per l'imaging ad alta risoluzione di campioni biologici morbidi, come le cellule viventi, nella loro condizione fisiologica, " disse Majid Minary, un neolaureato del gruppo di Yu e primo autore dell'articolo. Minary ora è professore all'Università del Texas-Dallas. "Abbiamo migliorato il fattore di qualità dei comuni metodi di imaging di microscopia a forza atomica di due ordini di grandezza, " disse Minario.

Il microscopio a forza atomica ampiamente utilizzato fornisce immagini di strutture minuscole ad alta risoluzione su scala atomica. L'AFM ha una sonda appuntita all'estremità di un braccio, chiamato cantilever. La punta della sonda sfiora la superficie di un campione per misurare meccanicamente, proprietà elettriche o chimiche.

Quando gli scienziati vogliono studiare le cellule, tessuti o altri materiali biologici vivi, i campioni devono essere immersi in un liquido per mantenerli in vita. Ciò pone difficoltà per la microscopia a forza atomica, perché anche il cantilever deve essere sommerso.

Le cellule e i tessuti sono così morbidi che se la sonda AFM fosse semplicemente trascinata sulla superficie, danneggerebbe o sposterebbe il campione invece di leggerlo. Perciò, gli scienziati devono far funzionare l'AFM in modalità oscillazione, con la sonda che picchietta delicatamente lungo il campione e rileva la resistenza.

Ma l'oscillazione nel liquido porta una marea di complicazioni nella sua scia.

Oscillando una struttura relativamente grande, come un cantilever AFM, attraverso il liquido fa sì che il liquido salga e scenda con l'oscillazione, come onde in una pozza di marea, causando ancora più resistenza.

"C'è un'enorme quantità di resistenza idrodinamica associata al funzionamento di un cantilever così grande, rispetto alla risoluzione che stai cercando di affrontare, " ha detto Yu, "quindi provoca molto disturbo, registrato come rumore, che travolge tutti i dati effettivi che stai cercando di ottenere dal campione."

L'alto livello di rumore richiede che la sonda tocchi più forte per trovare un segnale. Ciò significa che la punta deforma una cella quando la sonda preme verso il basso, e solo grande, sono visibili elementi strutturali rigidi come il nucleo, rendendo AFM incapace di risolvere la struttura della membrana, proprietà e contorni ad alta risoluzione.

Il gruppo di Yu ha escogitato una soluzione al problema consentendo al cantilever di oscillare nell'aria sopra il liquido mentre il campione è ancora sommerso. Hanno attaccato un sottile, lungo nanoago - una struttura sviluppata in precedenza dal gruppo - fino all'estremità della sonda, estendendo efficacemente la punta.

"La chiamiamo 'modalità traina' AFM, come nella pesca dove una parte della lenza è immersa nell'acqua e l'altra parte sopra, " disse Yu.

Mentre l'AFM dei tessuti molli con una sonda sommersa è come cercare di bastonare il pesce con una grande pagaia in una piscina con le onde, la nuova sistemazione è come trainare una lenza in uno stagno calmo. Il nanoago sposta pochissimo del liquido e provoca pochissima resistenza, eppure è molto reattivo, in modo che il cantilever possa oscillare molto dolcemente con un'ampiezza molto piccola.

"Una volta rimosso il rumore, tutte le informazioni che ottieni provengono dal campione, invece che dall'interazione tra la punta e il liquido, " disse Yu.

Usando la traina AFM, il gruppo ha ottenuto immagini topografiche ad alta risoluzione di cellule umane.

"Possiamo toccare con una forza così piccola da poter rivelare i contorni regionali della membrana, " ha detto Ning Wang, un professore di scienze meccaniche e ingegneria e coautore del documento. "Non solo quello, ma ancora più importante, otteniamo la mappa viscoelastica. Ci mettiamo un po' di forza, e guarda quanto è viscoelastico."

Grazie al minimo disturbo, la traina AFM può funzionare anche ad alta frequenza, che potrebbe consentire ai ricercatori di studiare le dinamiche di strutture cellulari che in precedenza non erano rilevabili.

Prossimo, i ricercatori vogliono espandere l'utilità di questo strumento con ulteriori capacità di misurazione dinamica. Il team lavorerà anche con i biologi per identificare i problemi relativi alla membrana cellulare e perfezionare la pesca alla traina AFM per risolvere le strutture nella membrana.