Gli ingegneri elettrici dell’UCSD hanno sviluppato una tecnologia che migliora la risoluzione di un normale microscopio ottico in modo che possa essere utilizzato per osservare direttamente le delicate strutture e dettagli nelle cellule viventi.

La tecnologia trasforma un microscopio ottico convenzionale in qualcosa chiamato microscopio ultrafine. Include un materiale appositamente progettato che accorcia la lunghezza d’onda della luce mentre illumina il campione: questa luce ridotta è ciò che essenzialmente consente al microscopio di acquisire immagini a una risoluzione più elevata.

“Questo materiale converte la luce a bassa risoluzione in luce ad alta risoluzione”, ha detto Zhaowei Liu, professore di ingegneria elettrica e informatica presso l’Università della California, San Diego. “È molto semplice e facile da usare. Basta posizionare un campione sul materiale, quindi posizionare tutto sotto un normale microscopio, non è richiesta alcuna modifica fantasiosa”.

Materiale montato su un tavolino per microscopio invertito. Credito: Junxiang Zhao

Lavoro pubblicato in Nature Communications, Supera i principali limiti dei microscopi ottici convenzionali: bassa risoluzione. I microscopi ottici sono utili per l’imaging di cellule viventi, ma non possono essere utilizzati per vedere qualcosa di più piccolo. I microscopi ottici convenzionali hanno un limite di risoluzione di 200 nanometri, il che significa che gli oggetti più vicini di questa distanza non verranno osservati come oggetti separati. Sebbene esistano strumenti più potenti, come i microscopi elettronici, che hanno una visione accurata delle strutture subcellulari, non possono essere utilizzati per l’imaging di cellule viventi perché i campioni devono essere collocati in una camera a vuoto.

“La sfida principale è trovare un’unica tecnologia ad altissima risoluzione che sia sicura anche per le cellule viventi”, ha detto Liu.

La tecnologia sviluppata dal team di Liu combina entrambe le caratteristiche. Con esso, un microscopio ottico convenzionale può essere utilizzato per visualizzare strutture subcellulari viventi con una risoluzione fino a 40 nm.

Confronto di immagini catturate al microscopio ottico senza il metamateriale iperbolico (colonna di sinistra) e con il metamateriale iperbolico (colonna di destra): due sfere fluorescenti vicine (riga superiore), punti quantici (riga centrale) e filamenti di actina nelle cellule Cos-7 ( riga inferiore). Credito: Nature Communications

La tecnica consiste in un vetrino microscopico ricoperto da un tipo di materiale che assorbe la luce chiamato metamateriale iperboloide. È composto da strati alternati di argento e vetro di silice di spessore nanometrico. Man mano che la luce passa, le sue lunghezze d’onda si accorciano e si diffondono per produrre una serie di pattern a macchie casuali ad alta risoluzione. Quando un campione è attaccato alla diapositiva, è illuminato in vari modi da questa serie di faretti. Questo crea una serie di immagini a bassa risoluzione, che vengono tutte catturate e quindi unite insieme dall’algoritmo di ricostruzione per produrre un’immagine ad alta risoluzione.

I ricercatori hanno testato la loro tecnologia utilizzando un microscopio invertito commerciale. Sono stati in grado di visualizzare caratteristiche sottili, come i filamenti di actina, in cellule Cos-7 con etichetta fluorescente, caratteristiche che non possono essere chiaramente distinte con lo stesso microscopio. Questa tecnica ha anche consentito ai ricercatori di distinguere chiaramente tra piccole sfere fluorescenti e punti quantici tra 40 e 80 nanometri di distanza.

I ricercatori hanno affermato che la tecnologia ultrafine ha un grande potenziale per il funzionamento ad alta velocità. Il loro obiettivo è integrare la fototossicità ad alta velocità, ad altissima risoluzione e di basso grado in un unico sistema di imaging di cellule vive.

Il team di Liu sta ora espandendo la tecnologia per eseguire immagini ad alta risoluzione nello spazio 3D. Questo documento attuale dimostra che la tecnologia può produrre immagini ad alta risoluzione su un piano 2D. Il team di Liu aveva precedentemente pubblicato un file carta Si scopre che questa tecnica è anche in grado di eseguire immagini con una risoluzione coassiale molto elevata (circa 2 nm). Ora stanno lavorando per riunire i due.

Riferimento: “Nanoscopia dell’illuminazione con l’aiuto di materiali metallurgici tramite punti casuali super accurati” di Yeon Ui Lee, Junxiang Zhao, Qian Ma, Larousse Khosravi Khorashad, Clara Posner, Guangru Li, G. Bimananda M. Wisna, Zachary Burns, Jin Zhang, Zhaowei Liu, 10 marzo 2021 Nature Communications.
DOI: 10.1038 / s41467-021-21835-8

Questo lavoro è stato sostenuto dalla Gordon & Betty Moore Foundation e dal National Institutes of Health (R35 CA197622). Questo lavoro è stato svolto in parte sulla San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) presso l’Università della California, San Diego, che è membro della Coordinated National Nanotechnology Infrastructure, supportata dalla National Science Foundation (sovvenzione ECCS-1542148).