Utilizzando metodi di chimica fisica per esaminare la biologia su scala nanometrica, un ricercatore del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ha inventato una nuova tecnologia per l'immagine di singole molecole con una risoluzione spettrale e spaziale senza precedenti, portando così al primo microscopio a super risoluzione "true-color".

Ke Xu, uno scienziato della facoltà nella divisione di scienze della vita del Berkeley Lab, ha battezzato la sua innovazione SR-STORM, o microscopia di ricostruzione ottica stocastica spettralmente risolta. Poiché SR-STORM fornisce informazioni spettrali e spaziali complete per ogni molecola, la tecnologia apre le porte all'imaging ad alta risoluzione di più componenti e ambienti chimici locali, come variazioni di pH, dentro una cella.

La ricerca è stata riportata sulla rivista Metodi della natura in un documento intitolato, "Spettroscopia a singola molecola ad altissima produttività e microscopia a super risoluzione spettrale risolta, " con i coautori Zhengyang Zhang, Samuel Kenny, Margaret Hauser, e Wan Li, tutta l'UC Berkeley. Xu è anche assistente professore presso il Dipartimento di Chimica dell'Università di Berkeley.

"Misuriamo sia la posizione che lo spettro di ogni singola molecola, tracciando la sua posizione spaziale super-risolta in due dimensioni e colorando ogni molecola secondo la sua posizione spettrale, quindi in questo senso, è una microscopia a super risoluzione a colori reali, che è il primo del suo genere, " Xu ha detto. "Questo è un nuovo tipo di imaging, combinando la misurazione spettrale di una singola molecola con la microscopia a super risoluzione".

Cosa c'è di più, SR-STORM è ad alto rendimento, in grado di fornire informazioni spaziali e spettrali per milioni di singole molecole in circa cinque minuti, rispetto a diversi minuti per un singolo fotogramma di immagine comprendente decine di molecole utilizzando tecniche convenzionali basate sulla scansione.

Xu si è basato sul lavoro che ha svolto come ricercatore post-dottorato ad Harvard con Xiaowei Zhuang, che ha inventato STORM, un metodo di microscopia a super risoluzione basato sull'imaging di singole molecole e sul photoswitching. Con l'ideazione di un sistema a doppio obiettivo con due lenti del microscopio una di fronte all'altra, Xu e colleghi hanno visto contemporaneamente la parte anteriore e posteriore del campione e hanno ottenuto una risoluzione ottica senza precedenti (di circa 10 nanometri) di una cella. Utilizzando questo metodo per l'immagine dei neuroni, hanno mostrato che l'actina, un componente chiave del citoscheletro (spina dorsale della cellula), ha una struttura diversa negli assoni rispetto ai dendriti, due parti di un neurone.

Ma le attuali tecniche di microscopia a super risoluzione non forniscono informazioni spettrali, utile agli scienziati per comprendere il comportamento delle singole molecole, nonché per consentire l'imaging multicolore di alta qualità di più target.

"Così abbiamo costruito un sistema a doppio obiettivo, ma abbiamo disperso l'immagine della singola molecola raccolta da una lente dell'obiettivo nello spettro mantenendo l'altra immagine per la localizzazione della singola molecola, " disse Xu. "Ora stiamo accumulando simultaneamente lo spettro delle singole molecole e anche la loro posizione, così abbiamo risolto l'enigma."

Successivamente hanno tinto il campione con 14 coloranti diversi in una finestra di emissione stretta e hanno eccitato e fotocommutato le molecole con un laser. Mentre gli spettri dei 14 coloranti si sovrappongono pesantemente poiché sono vicini nell'emissione, hanno scoperto che gli spettri delle singole molecole erano sorprendentemente diversi e quindi facilmente identificabili. "Questo è utile perché significa che avevamo un modo per fare immagini multicolori all'interno di una finestra di emissione molto stretta, " disse Xu.

Infatti, utilizzando quattro coloranti per etichettare quattro diverse strutture subcellulari, come mitocondri e microtubuli, sono stati in grado di distinguere facilmente molecole di diversi coloranti in base alla loro media spettrale, e ogni struttura subcellulare era un colore distinto.

"Quindi, usando questo metodo possiamo osservare le interazioni tra quattro componenti biologici all'interno di una cellula in tre dimensioni e ad altissima risoluzione di circa 10 nanometri, " ha detto Xu. "Le applicazioni sono per lo più nella ricerca fondamentale e nella biologia cellulare a questo punto, ma si spera che porterà ad applicazioni mediche. Questo ci offre nuove opportunità per osservare le strutture cellulari, come sono costruiti, e se c'è qualche degrado di quelle strutture nelle malattie".

Molte malattie sono causate da un patogeno invasore o dalla degradazione della struttura interna di una cellula. Alzheimer, Per esempio, può essere correlato alla degradazione del citoscheletro all'interno dei neuroni. "Il sistema del citoscheletro è composto da una serie di strutture subcellulari e proteine ​​interagenti, e la nostra tecnica consentirà la ricerca sulle interazioni tra questi diversi obiettivi con un numero senza precedenti di canali di colore e risoluzione spaziale, " Egli ha detto.

Prossimo, Xu sta cercando di perfezionare il metodo utilizzando un sistema a obiettivo singolo, e farlo funzionare con i sistemi di microscopio convenzionali, rendendolo così più ampiamente accessibile. Sta anche cercando di sviluppare coloranti e sonde adatti per monitorare l'ambiente locale, come il pH, in cellule vive su scala nanometrica.