Nossa janela para o mundo celular ficou muito mais clara.

Ao combinar duas tecnologias de imagem, os cientistas agora podem assistir em detalhes 3-D sem precedentes como as células cancerosas se arrastam, circuitos nervosos espinhais se conectam, e as células imunológicas cruzam o ouvido interno do peixe-zebra.

Físico Eric Betzig, um líder de grupo no Campus de Pesquisa Janelia do Howard Hughes Medical Institute, e colegas relatam o trabalho em 19 de abril, 2018, no jornal Ciência .

Os cientistas têm imaginado células vivas com microscópios por centenas de anos, mas as vistas mais nítidas vieram de células isoladas em lâminas de vidro. Os grandes grupos de células dentro de organismos inteiros misturam a luz como um saco cheio de bolas de gude, Betzig diz. "Isso levanta a dúvida incômoda de que não estamos vendo as células em seu estado nativo, felizmente abrigados no organismo em que evoluíram. "

Mesmo ao visualizar as células individualmente, os microscópios mais comumente usados ​​para estudar o funcionamento interno das células são geralmente muito lentos para acompanhar a ação em 3-D. Esses microscópios banham as células com luz milhares a milhões de vezes mais intensa do que o sol do deserto, Betzig diz. "Isso também contribui para o nosso medo de não estarmos vendo as células em seu estado natural, forma átona.

"Costuma-se dizer que ver para crer, mas quando se trata de biologia celular, Acho que a pergunta mais apropriada é, 'Quando podemos acreditar no que vemos?' ", Acrescenta.

Para enfrentar esses desafios, Betzig e sua equipe combinaram duas tecnologias de microscopia que relataram pela primeira vez em 2014, no mesmo ano, ele compartilhou o Prêmio Nobel de Química. Para decifrar a luz das células enterradas nos organismos, os pesquisadores se voltaram para a óptica adaptativa - a mesma tecnologia usada por astrônomos para fornecer visões claras de objetos celestes distantes através da turbulenta atmosfera da Terra. Então, para obter imagens da coreografia interna dessas células de forma rápida, porém suave em 3-D, a equipe usou microscopia de lâmina de luz treliça. Essa tecnologia varre rápida e repetidamente uma folha ultrafina de luz através da célula enquanto adquire uma série de imagens 2-D, construir um filme 3-D de alta resolução da dinâmica subcelular.

O novo microscópio é essencialmente três microscópios em um:um sistema óptico adaptativo para manter a iluminação fina de uma folha de luz de rede à medida que penetra dentro de um organismo, e outro sistema óptico adaptável para criar imagens sem distorção ao olhar para baixo no plano iluminado de cima. Ao iluminar um laser através de qualquer caminho, os pesquisadores criam um ponto de luz brilhante na região que desejam obter a imagem. As distorções na imagem desta "estrela-guia" informam à equipe a natureza das aberrações ópticas ao longo de cada caminho. Os pesquisadores podem corrigir essas distorções aplicando distorções iguais, mas opostas, a um modulador de luz pixelizada no lado da excitação, e um espelho deformável na detecção. Em grandes volumes, as distorções mudam à medida que a luz atravessa diferentes tecidos. Nesse caso, a equipe monta grandes imagens 3-D a partir de uma série de subvolumes, cada um com sua própria excitação independente e correções de detecção.

Os resultados oferecem um novo olhar eletrizante sobre a biologia, e revelar uma metrópole movimentada em ação no nível subcelular. Em um filme do microscópio, uma célula imune laranja ardente se contorce loucamente pela orelha de um peixe-zebra enquanto pega partículas de açúcar azul ao longo do caminho. Noutro, uma célula cancerosa segue apêndices pegajosos enquanto rola através de um vaso sanguíneo e tenta ganhar apoio na parede do vaso.

A complexidade do ambiente multicelular 3-D pode ser esmagadora, Betzig diz, mas a clareza da imagem de sua equipe permite que eles "explodam" computacionalmente as células individuais no tecido para se concentrar na dinâmica de qualquer uma delas, como a remodelação de organelas internas durante a divisão celular.

Todos esses detalhes são difíceis de ver sem óptica adaptativa, Betzig diz. "É muito confuso." Em sua opinião, a óptica adaptativa é uma das áreas mais importantes na pesquisa de microscopia hoje, e o microscópio de folha de luz de rede, que se destaca em imagens ao vivo 3-D, é a plataforma perfeita para mostrar seu poder. A óptica adaptativa ainda não decolou, ele diz, porque a tecnologia é complicada, caro, e até agora, claramente não vale o esforço. Mas dentro de 10 anos, Betzig prevê, biólogos em todos os lugares estarão a bordo.

O próximo grande passo é tornar essa tecnologia acessível e fácil de usar. "Demonstrações técnicas e publicações não chegam a ser uma montanha de feijão. A única métrica pela qual um microscópio deve ser julgado é quantas pessoas o usam, e o significado do que descobrem com ele, "Diz Betzig.

O microscópio atual ocupa uma mesa de 3 metros de comprimento. "É um monstro de Frankenstein agora, "diz Betzig, que está se mudando para a Universidade da Califórnia, Berkeley, no outono. Sua equipe está trabalhando em uma versão de última geração que deve caber em uma mesa pequena a um custo ao alcance de laboratórios individuais. O primeiro desses instrumentos irá para o Advanced Imaging Center de Janelia, onde cientistas de todo o mundo podem se inscrever para usá-lo. Planos para criar suas próprias cópias também serão disponibilizados gratuitamente. Em última análise, Betzig espera que a versão óptica adaptativa do microscópio de rede seja comercializada, como era o instrumento de rede base antes dele. Isso poderia trazer a óptica adaptativa para o mainstream.

"Se você realmente quer entender a célula in vivo, e a imagem com a qualidade possível in vitro, este é o preço da admissão, " ele diz.