Un mondo subcellulare è stato aperto agli scienziati per lo studio E. coli e altri tessuti in modi nuovi, grazie a un metodo di microscopia che fornisce furtivamente tridimensionalità, immagini di alta qualità della struttura interna delle cellule senza disturbare il campione.

Combinando un nuovo algoritmo con una tecnica aggiuntiva sviluppata di recente per microscopi commerciali, ricercatori dell'Università dell'Illinois hanno creato un veloce, metodo 3D non invasivo per la visualizzazione, quantificare, e studiare le cellule senza l'uso di fluorescenza o agenti di contrasto.

In un articolo pubblicato oggi online sulla rivista PLoS UNO , i ricercatori che hanno sviluppato la tecnica hanno riferito di essere stati in grado di utilizzarla per visualizzare il E. coli batteri con una combinazione di velocità, scala, e risoluzione senza precedenti per un metodo senza etichetta.

Il metodo si basa su una tecnica interferometrica a banda larga nota come Spatial Light Interference Microscopy (SLIM) progettata dal ricercatore del Beckman Institute Gabriel Popescu come modulo aggiuntivo per un microscopio commerciale a contrasto di fase. SLIM è estremamente veloce e sensibile su più scale (da 200 nm in su) ma, come un sistema ottico lineare, la sua risoluzione è limitata dalla diffrazione.

Applicando un nuovo algoritmo di deconvoluzione per recuperare informazioni a risoluzione limitata di sub-diffrazione dai campi misurati da SLIM, Popescu ei suoi colleghi ricercatori sono stati in grado di riprodurre immagini tomografiche con una risoluzione oltre i limiti di diffrazione di SLIM. Hanno usato il metodo di ricostruzione sparsa per rendere le immagini ricostruite in 3D di E. coli cellule, consentendo la visualizzazione senza etichetta dei campioni su scala subcellulare.

L'anno scorso i ricercatori hanno dimostrato con successo una nuova tecnica ottica che fornisce misure 3D di campi complessi chiamata tomografia ad interferenza luminosa spaziale (SLIT) su neuroni vivi e strutture a cristalli fotonici. In questo progetto hanno sviluppato un nuovo algoritmo per estendere ulteriormente le capacità tridimensionali eseguendo la deconvoluzione sul campo 3D misurato, basato sulla modellazione dell'immagine utilizzando i principi di sparsità. Questa capacità di microscopia, chiamato dSLIT, è stato utilizzato per visualizzare le strutture subcellulari arrotolate in E. coli cellule.

I ricercatori hanno affermato che queste strutture sono state osservate solo utilizzando ceppi e plasmidi specializzati e tecniche di fluorescenza, e di solito su cellule non viventi. Questi nuovi metodi forniscono un modo pratico per lo studio non invasivo di tali strutture.

Mustafa Mir è il primo autore dell'articolo e membro del Quantitative Light Imaging Laboratory di Popescu presso Beckman. Mir ha affermato che studiare e comprendere la struttura interna tridimensionale delle cellule viventi è essenziale per approfondire la nostra comprensione della funzione biologica.

"La loro visualizzazione è estremamente impegnativa a causa delle loro dimensioni ridotte e della loro natura trasparente, " Mir ha detto. "Questo nuovo metodo, però, fornisce un modo per sfruttare le proprietà intrinseche di questi piccolissimi, cellule trasparenti in modo non invasivo e senza l'utilizzo di tecniche di fluorescenza e mezzi di contrasto.

"Studi precedenti hanno quindi utilizzato il contrasto estrinseco come la fluorescenza e ceppi specializzati in combinazione con complesse tecniche di superrisoluzione per tali studi. Ciò consentirà ai biologi di studiare le strutture subcellulari perturbando minimamente la cellula dal suo stato naturale".

I ricercatori hanno scritto che il metodo affronta due problemi principali nella microscopia cellulare:mancanza di contrasto, a causa della natura sottile e otticamente trasparente delle cellule, e diffrazione risoluzione limitata.

"Sebbene siano state precedentemente identificate diverse strutture di questo tipo, si sa poco della loro funzione e comportamento a causa delle difficoltà pratiche coinvolte nell'imaging loro, " hanno concluso. "I risultati qui presentati indicano che dSLIT può essere utilizzato per caratterizzare e studiare tale struttura subcellulare in modo pratico e non invasivo, aprendo la porta per una comprensione più approfondita della biologia."