Pesquisadores da Northwestern Engineering desenvolveram uma nova plataforma que pode criar imagens de moléculas únicas em 3-D, permitindo investigações mais profundas sobre o funcionamento interno das células.

A plataforma usa microscopia de localização espectroscópica de molécula única (sSMLM), uma ferramenta que pode capturar simultaneamente a informação espacial de moléculas individuais e suas assinaturas espectroscópicas.

Os pesquisadores aprimoraram a ferramenta combinando o sSMLM existente com um sistema de dois espelhos, permitindo a imagem de moléculas em 3-D em profundidades muito maiores. Esta nova ferramenta pode ajudar os biólogos moleculares a entender processos complexos dentro das células.

"Nosso design é relativamente fácil de implementar, e nos permitirá estudar as interações moleculares muito melhor do que antes, "disse Hao Zhang, professor de engenharia biomédica e coautor da pesquisa. "Agora não podemos apenas ver onde estão as moléculas, mas também o que são. "Zhang desenvolveu a tecnologia com Cheng Sun, professor associado de engenharia mecânica.

Os resultados foram publicados em 21 de maio na revista. Optica . Co-autores incluídos Ki-HeeSong, um Ph.D. candidato, e Yang Zhan, um pós-doutorado, ambos do departamento de Engenharia Biomédica da Northwestern.

Imagem em 3-D

Nos últimos anos, cientistas e engenheiros usaram o sSMLM para entender melhor as interações moleculares e a dinâmica celular. O sistema fornece informações sobre a localização das moléculas e como essas moléculas interagem com a luz, que diz aos cientistas que tipo de molécula eles veem.

Mas o sistema só funciona em duas dimensões, dando apenas uma visão parcial das moléculas e suas interações.

Zhang e Sun queriam estender a imagem para 3-D e originalmente desenvolveram uma maneira de fazer isso adicionando uma lente adicional, mas descobri que um par de espelhos pode obter o mesmo efeito de uma maneira muito mais elegante.

Os espelhos funcionam introduzindo uma diferença de comprimento de caminho óptico no sistema que melhora a maneira como o sistema usa fótons. Ao contrário das lentes, a maioria dos espelhos não atenua a luz que é refletida, o que significa que mais fótons podem ser usados ​​para localização nanoscópica para criar uma imagem mais nítida e estender a imagem em uma faixa de profundidade 3-D.

Com capacidade de imagem em nanoescala 3-D, os pesquisadores podem ver mais interações acontecendo dentro do volume intracelular sem serem ofuscados pela superfície. Por exemplo, Zhang, Sol, e seus colaboradores estão usando o sistema para estudar a distribuição intercelular de moléculas, olhando como o RNA é transportado e interage com organelas celulares antes de ser traduzido em proteínas.

"Este sistema pode ter implicações profundas na biologia molecular, "Disse Zhang.

Embora os sistemas de imagem molecular anteriores usassem filtros ópticos para detectar diferentes tipos de moléculas com base em suas cores de emissão bem separadas, o novo sistema pode detectar diferenças mínimas nas emissões moleculares de cada molécula diferente e analisar o espectro para diferenciá-las.

"Agora podemos codificar com cores cada molécula, "Disse Sun." Esse é um ponto forte. "

Compreendendo os processos em nanoescala

Próximo, os pesquisadores esperam continuar a refinar a tecnologia, bem como usá-lo em estudos de biologia molecular.

Eles estão trabalhando com colaboradores para estudar a estrutura dos poros do núcleo e como ela está envolvida na diferenciação das células-tronco, e também estão estudando a despolarização da membrana mitocondrial, um evento associado a muitas doenças, incluindo perda de visão em pacientes diabéticos. Eles também esperam que sua tecnologia ajude outras pessoas no campo.

"É um design muito elegante, "Sun disse." O sistema pode ser facilmente implementado em outros laboratórios, e tem um desempenho lindo. "