Os pesquisadores da Rice University criaram um método para projetar máscaras personalizadas que transformam imagens de microscopia fluorescente 2D em filmes 3D. Crédito:Landes Research Group / Rice University
Os pesquisadores da Rice University acrescentaram uma nova dimensão à sua técnica inovadora que expande as capacidades dos microscópios de laboratório padrão.
Dois anos atrás, o laboratório do químico Christy Landes introduziu a microscopia de resolução supertemporal, uma técnica que permitiu aos pesquisadores criar imagens de moléculas fluorescentes 20 vezes mais rápido do que as câmeras tradicionais de laboratório normalmente permitem. Eles agora desenvolveram um método geral para permitir que um microscópio capture informações espaciais 3-D junto com a quarta dimensão, movimento molecular ao longo do tempo.
Esse, eles dizem, ajudará os cientistas que estudam processos dinâmicos a ver onde as moléculas de interesse estão localizadas e a velocidade com que se movem - por exemplo, dentro de células vivas.
O método Rice para expandir as capacidades dos microscópios de fluorescência de campo amplo existentes é detalhado no artigo de acesso aberto da equipe em Optics Express .
Ele descreve a criação de máscaras de fase personalizadas:transparente, discos giratórios que manipulam a fase da luz para alterar a forma da imagem capturada pela câmera do microscópio. A forma contém informações sobre a posição 3-D de uma molécula no espaço e como ela se comporta ao longo do tempo dentro do campo de visão da câmera.
Uma máscara de fase transforma o que parece ser um inconveniente, a mancha borrada em uma imagem de microscópio, em um ativo. Os cientistas dão a esse blob um nome - função de propagação de pontos - e o usam para obter detalhes sobre objetos abaixo do limite de difração que são menores do que todos os microscópios de luz visíveis são capazes de ver.
Uma imagem de microscópio eletrônico mostra uma máscara de fase programada por um algoritmo criado na Rice University. A máscara personalizável permite que o laboratório do Rice obtenha imagens de moléculas para determinar sua profundidade e a velocidade com que se movem, mesmo que sejam mais rápidos do que um único quadro de câmera. Crédito:Landes Research Group / Rice University
O trabalho original usou uma máscara de fase rotativa que transformou a luz de uma única molécula fluorescente no que os pesquisadores chamaram de dupla hélice rotativa. A imagem capturada apareceu na câmera como dois discos brilhantes, como os lóbulos de uma barra. No novo trabalho, as barras rotativas permitem que eles vejam não apenas onde as moléculas estão no espaço tridimensional, mas também deu a cada molécula uma marca de tempo.
O coração do novo trabalho está nos algoritmos do autor principal e ex-aluno de engenharia elétrica e de computação de Rice, Wenxiao Wang. Os algoritmos tornam prático projetar máscaras de fase personalizadas que modificam a forma da função de propagação de pontos.
"Com a máscara de fase de dupla hélice, o tempo em que as informações e as informações espaciais foram conectadas, "disse o co-autor Chayan Dutta, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Landes. "A rotação dos lóbulos pode expressar tanto o espaço 3-D quanto as informações de tempo rápido, e não havia como saber a diferença entre tempo e espaço. "
Melhores máscaras de fase resolvem esse problema, ele disse. "O novo design da máscara de fase, que chamamos de máscara de fase de alongamento do lóbulo, desacopla espaço e tempo, "Dutta disse." Quando os alvos estão em profundidades diferentes, os lóbulos se distanciam ou se aproximam, e a informação de tempo agora está codificada apenas na rotação. "
O truque é manipular a luz na máscara de fase giratória para otimizar o padrão para diferentes profundidades. Isso é realizado pelo padrão de refração programado na máscara pelo algoritmo. "Cada camada é otimizada no algoritmo para diferentes profundidades de detecção, "disse o estudante de graduação e co-autor Nicholas Moringo." Onde antes, pudemos ver objetos em duas dimensões ao longo do tempo, agora podemos ver todas as três dimensões espaciais e comportamento de tempo rápido simultaneamente. "
As funções de propagação de pontos de moléculas individuais, capturado como lóbulos duplos através de uma máscara de fase (esquerda), pode dizer aos pesquisadores onde a molécula está no espaço 3D. A distância entre os lóbulos dá a eles a profundidade da molécula. Crédito:Landes Research Group / Rice University
"Microscópios de fluorescência de campo amplo são usados em muitos campos, especialmente biologia celular e imagens médicas, "Landes disse." Estamos apenas começando a demonstrar como manipular a fase da luz dentro de um microscópio é uma maneira razoavelmente simples de melhorar a resolução de espaço e tempo em comparação com o desenvolvimento de novas etiquetas fluorescentes ou melhorias de hardware de engenharia. "
Um resultado importante que poderia ter um amplo apelo, ela disse, é que os pesquisadores generalizaram o design da máscara de fase para que os pesquisadores possam fabricar máscaras para criar virtualmente qualquer padrão arbitrário. Para demonstrar, o grupo projetou e fabricou uma máscara para criar uma função complexa de propagação de pontos que mostra RICE em diferentes profundidades focais. Um vídeo mostra as letras fantasmagóricas que aparecem e desaparecem conforme o microscópio se move para diferentes profundidades acima e abaixo do plano focal.
Essa flexibilidade será útil para aplicações como a análise de processos dentro de células cancerosas vivas, um projeto que o laboratório espera realizar em breve com os parceiros do Texas Medical Center.
"Se você tem um celular em uma lâmina de vidro, você será capaz de entender onde os objetos na célula estão em relação uns com os outros e quão rápido eles se movem, "Moringo disse." As câmeras não são rápidas o suficiente para capturar tudo o que acontece em uma célula, mas nosso sistema pode. "
