Utilizzando un normale microscopio ottico, Gli ingegneri del MIT hanno ideato una tecnica per l'imaging di campioni biologici con una precisione su una scala di 10 nanometri, che dovrebbe consentire loro di visualizzare virus e potenzialmente anche singole biomolecole, dicono i ricercatori.

La nuova tecnica si basa sulla microscopia ad espansione, un approccio che prevede l'incorporamento di campioni biologici in un idrogel e quindi la loro espansione prima di visualizzarli con un microscopio. Per l'ultima versione della tecnica, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo tipo di idrogel che mantiene una configurazione più uniforme, consentendo una maggiore precisione nell'imaging di strutture minuscole.

Questo grado di accuratezza potrebbe aprire la porta allo studio delle interazioni molecolari di base che rendono possibile la vita, dice Edward Boyden, la Y. Eva Tan Professore di Neurotecnologia, professore di ingegneria biologica e scienze cerebrali e cognitive al MIT, e membro del McGovern Institute for Brain Research del MIT e del Koch Institute for Integrative Cancer Research.

"Se potessi vedere le singole molecole e identificare di che tipo sono, con precisione nanometrica a una cifra, allora potresti essere in grado di guardare effettivamente la struttura della vita. e struttura, come ci ha detto un secolo di biologia moderna, governa la funzione, "dice Boyden, chi è l'autore senior del nuovo studio.

I principali autori del documento, che appare oggi in Nanotecnologia della natura, sono il ricercatore del MIT Ruixuan Gao e Chih-Chieh "Jay" Yu Ph.D. '20. Altri autori includono Linyi Gao Ph.D. '20; l'ex postdoc del MIT Kiryl Piatkevich; Rachele Neve, direttore del Gene Technology Core presso il Massachusetts General Hospital; James Munro, professore associato di microbiologia e sistemi fisiologici presso la University of Massachusetts Medical School; e Srigokul Upadhyayula, un ex assistente professore di pediatria presso la Harvard Medical School e un assistente professore in residenza di biologia cellulare e dello sviluppo presso l'Università della California a Berkeley.

Basso costo, alta risoluzione

Molti laboratori in tutto il mondo hanno iniziato a utilizzare la microscopia ad espansione da quando il laboratorio di Boyden l'ha introdotta per la prima volta nel 2015. Con questa tecnica, i ricercatori ingrandiscono fisicamente i loro campioni di circa quattro volte in dimensione lineare prima di immaginarli, consentendo loro di generare immagini ad alta risoluzione senza attrezzature costose. Il laboratorio di Boyden ha anche sviluppato metodi per etichettare le proteine, RNA, e altre molecole in un campione in modo che possano essere visualizzate dopo l'espansione.

"Centinaia di gruppi stanno facendo microscopia ad espansione. C'è chiaramente una domanda repressa per un facile, metodo economico di nanoimaging, " dice Boyden. "Ora la domanda è:quanto possiamo diventare buoni? Possiamo arrivare alla precisione della singola molecola? Perché alla fine, vuoi raggiungere una soluzione che scenda ai mattoni fondamentali della vita."

Altre tecniche come la microscopia elettronica e l'imaging a super risoluzione offrono un'alta risoluzione, ma l'attrezzatura necessaria è costosa e non ampiamente accessibile. Microscopia ad espansione, però, consente l'imaging ad alta risoluzione con un normale microscopio ottico.

In un documento del 2017, Il laboratorio di Boyden ha dimostrato una risoluzione di circa 20 nanometri, utilizzando un processo in cui i campioni sono stati espansi due volte prima dell'imaging. Questo approccio, così come le versioni precedenti della microscopia ad espansione, si basa su un polimero assorbente a base di poliacrilato di sodio, assemblati utilizzando un metodo chiamato sintesi dei radicali liberi. Questi gel si gonfiano se esposti all'acqua; però, una limitazione di questi gel è che non sono completamente uniformi nella struttura o nella densità. Questa irregolarità porta a piccole distorsioni nella forma del campione quando è espanso, limitando la precisione ottenibile.

Per superare questo, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo gel chiamato tetra-gel, che forma una struttura più prevedibile. Combinando molecole di PEG tetraedriche con poliacrilati di sodio tetraedrici, i ricercatori sono stati in grado di creare una struttura simile a un reticolo che è molto più uniforme rispetto agli idrogel di poliacrilato di sodio sintetizzati con radicali liberi che usavano in precedenza.

I ricercatori hanno dimostrato l'accuratezza di questo approccio utilizzandolo per espandere le particelle del virus dell'herpes simplex di tipo 1 (HSV-1), che hanno una caratteristica forma sferica. Dopo aver espanso le particelle virali, i ricercatori hanno confrontato le forme con le forme ottenute dalla microscopia elettronica e hanno scoperto che la distorsione era inferiore a quella osservata con le versioni precedenti della microscopia ad espansione, consentendo loro di raggiungere una precisione di circa 10 nanometri.

"Possiamo osservare come cambiano le disposizioni di queste proteine ​​quando vengono espanse e valutare quanto sono vicine alla forma sferica. È così che l'abbiamo convalidato e determinato quanto fedelmente possiamo preservare la nanostruttura delle forme e le relative disposizioni spaziali di queste molecole, " dice Ruixuan Gao.

Molecole singole

I ricercatori hanno anche usato il loro nuovo idrogel per espandere le cellule, comprese le cellule renali umane e le cellule cerebrali di topo. Ora stanno lavorando su modi per migliorare l'accuratezza al punto in cui possono visualizzare singole molecole all'interno di tali cellule. Una limitazione a questo grado di accuratezza è la dimensione degli anticorpi utilizzati per etichettare le molecole nella cellula, che sono lunghi circa 10-20 nanometri. Per immaginare singole molecole, i ricercatori dovrebbero probabilmente creare etichette più piccole o aggiungere le etichette dopo che l'espansione è stata completata.

Stanno anche esplorando se altri tipi di polimeri, o versioni modificate del polimero tetra-gel, potrebbe aiutarli a realizzare una maggiore precisione.

Se riescono a raggiungere la precisione fino alle singole molecole, molte nuove frontiere potrebbero essere esplorate, dice Boyden. Per esempio, gli scienziati hanno potuto intravedere come diverse molecole interagiscono tra loro, che potrebbe far luce sulle vie di segnalazione cellulare, attivazione della risposta immunitaria, comunicazione sinaptica, interazioni farmaco-bersaglio, e molti altri fenomeni biologici.

"Ci piacerebbe guardare le regioni di una cellula, come la sinapsi tra due neuroni, o altre molecole coinvolte nella segnalazione cellula-cellula, e per capire come tutte le parti parlano tra loro, " dice. "Come lavorano insieme e come vanno male nelle malattie?"