Em 2014, W. E. Moerner, o professor de química Harry S. Mosher da Universidade de Stanford, ganhou o Prêmio Nobel de Química por co-desenvolver uma forma de formar imagens dentro das células em alta resolução, chamado microscopia de super-resolução. Agora, ele e seu laboratório criaram um novo microscópio que produz imagens em nanoescala 3-D de células de mamíferos em sua totalidade.

“Uma célula tem toda uma cidade de proteínas, enzimas e estruturas trabalhando o tempo todo, "Moerner disse." Temos alguma ideia do que está em uma célula - muitos de nós estamos familiarizados com desenhos de mitocôndrias ou do retículo endoplasmático - mas é uma ideia mediana. Quando olhamos para células individuais, reconhecemos que todos eles não são exatamente como as imagens que temos nos livros didáticos. "

O laboratório Moerner combina química, física, óptica e engenharia para criar melhores maneiras de perscrutar dentro das células para ver o funcionamento de moléculas individuais. Colaborando com muitos outros laboratórios, o grupo se concentra em assuntos biológicos, como medir as estruturas das fibras de proteínas relacionadas à doença de Huntington, observar a organização de fitas individuais de DNA no núcleo e documentar mudanças estruturais nas células durante os tratamentos médicos.

Panquecas e magia

O novo microscópio, que os pesquisadores chamam de TILT3D e que foi descrito recentemente em um artigo publicado em Nature Communications , combina duas novas técnicas de imagem com microscopia de super-resolução para capturar imagens 3-D muito claras de estruturas e moléculas individuais dentro de uma célula.

Uma das duas novas técnicas, conhecido como iluminação de folha de luz inclinada, aborda problemas de foco e funcionalidade que ocorrem com as técnicas de iluminação existentes. Na maioria dos microscópios de luz, a amostra da célula é iluminada por baixo.

"Isso é um problema se você deseja investigar os detalhes de uma célula porque leva a imagens visualmente nebulosas onde apenas algumas partes estão em foco - como uma foto tirada a uma longa distância, "disse Anna-Karin Gustavsson, um pós-doutorado no laboratório de Moerner e principal autor do artigo.

A iluminação de folha de luz padrão contorna este problema ao direcionar apenas uma fatia de luz lateral para obter uma iluminação semelhante a uma panqueca da amostra. Mesmo com essa vantagem, se você tentar fazer uma folha de luz brilhar bem no fundo de uma célula, ele ricocheteia no canto da câmara que contém a amostra, o que distorce a imagem. Inclinando o lençol de luz, o laboratório Moerner evita bater na esquina.

Além de limpar a desordem visual inclinando a lâmina de luz, o novo microscópio inclui um método óptico para geração de imagens em 3-D. Para alcançar isto, os pesquisadores marcam moléculas na amostra de células com produtos químicos que fluorescem quando acesos e usam aditivos químicos para fazê-los piscar intensamente. Então, através do que Moerner chama de "magia óptica, "o grupo ajusta o microscópio para converter cada piscada fluorescente em dois pontos de luz em ângulos diferentes. Com esses dois pontos, os pesquisadores podem obter a posição de cada molécula em três dimensões, que informa a imagem 3-D final.

Empilhando suas imagens 3-D fragmentadas uma sobre a outra, os pesquisadores podem criar uma reconstrução de cima para baixo de uma célula. A imagem de folha de luz inclinada também torna possível rastrear o movimento 3-D das moléculas ao longo do tempo com uma precisão de dezenas de nanômetros, que poderia capturar a ligação de moléculas, movendo-se por motores ou viajando aleatoriamente através de estruturas da célula.

Combinando a imagem nítida e os recursos 3-D do TILT3D com as técnicas de super-resolução existentes, o microscópio pode criar imagens precisas em super-resolução - tão pequenas quanto dezenas de nanômetros ou cerca de 4, 000 vezes menor do que um fio de cabelo humano é grosso. Isso abre novas oportunidades para produzir imagens 3D detalhadas de estruturas de células de mamíferos, mesmo aqueles que eram anteriormente muito densos para serem visualizados com clareza.

Pronto para compartilhar

Como parte de seu artigo, Moerner e seus membros de laboratório testaram com sucesso seu microscópio em estruturas celulares conhecidas. Eles já estão conduzindo outros laboratórios pelo processo de duplicação deste microscópio. O design pode ser uma adição modular aos microscópios de luz existentes. No futuro, eles esperam que suas imagens de iluminação de folha de luz inclinada 3-D sejam usadas para qualquer número de projetos.

"TILT3D é mais simples do que outros microscópios que foram projetados para a geração de imagens dessas amostras desafiadoras, e pode ser usado para a geração de imagens tanto de estruturas estáticas quanto de moléculas em movimento ", disse Gustavsson, que é parcialmente apoiado por uma bolsa de pós-doutorado do Karolinska Institutet na Suécia. "Nós o projetamos para ser versátil, não vinculado a uma pergunta específica. "

Os pesquisadores continuarão a trabalhar no TILT3D, particularmente na combinação de informações estáticas e dinâmicas de várias proteínas diferentes. Juntamente com suas muitas outras inovações e estudos em imagem celular, eles esperam que esta tecnologia possa permitir que eles e outros aprendam mais sobre as estruturas e processos das células, uma molécula de cada vez.