Seis anos atrás, o Prêmio Nobel de Química foi concedido a três cientistas por encontrar maneiras de visualizar os caminhos de moléculas individuais dentro das células vivas.

Agora, pesquisadores da University of Rochester e do Fresnel Institute, na França, encontraram uma maneira de visualizar essas moléculas com ainda mais detalhes, mostrando sua posição e orientação em 3-D, e até como eles balançam e oscilam. O trabalho pode lançar insights inestimáveis ​​sobre os processos biológicos envolvidos, por exemplo, quando uma célula e as proteínas que regulam suas funções reagem ao vírus que causa COVID-19.

“Quando uma proteína muda de forma, expõe outros átomos que melhoram o processo biológico, então a mudança na forma de uma proteína tem um grande efeito em outros processos dentro da célula, "diz Sophie Brasselet, diretor do Fresnel Institute, que colaborou com Miguel Alonso e Thomas Brown, ambos professores de ótica em Rochester.

Apelidada de CHIDO - para "Imagem de super-resolução de Coordenadas e Altura com Dithering e Orientação" - a tecnologia é descrita em um novo artigo publicado em Nature Communications . Projetado e construído pelos principais autores Valentina Curcio, um Ph.D. aluno do grupo de Brasselet, e Luis Aleman-Castaneda, um Ph.D. aluno do grupo de Alonso, CHIDO é preciso em "dezenas de nanômetros na posição e alguns graus de orientação" na determinação dos parâmetros de moléculas individuais, "relata a equipe.

Usando uma placa de vidro submetida a tensão uniforme em toda a sua periferia, o dispositivo pode criar e extrapolar oscilações de comprimento de onda e mudanças na polarização que ocorrem quando as moléculas são observadas em um microscópio de fluorescência. A nova tecnologia transforma a imagem de uma única molécula em um ponto focal distorcido, cuja forma codifica diretamente informações 3-D mais precisas do que as ferramentas de medição anteriores. Com efeito, CHIDO pode produzir feixes com todos os estados de polarização possíveis.

"Esta é uma das belezas da ótica, "Brown diz." Se você tem um dispositivo que pode criar praticamente qualquer estado de polarização, então você também tem um dispositivo que pode analisar praticamente qualquer estado de polarização possível. "

A placa de vidro se originou no laboratório de Brown como parte de seu longo interesse em desenvolver feixes com polarizações incomuns. Alonso, um especialista na teoria da polarização, trabalhou com Brown em maneiras de refinar este "dispositivo muito simples, mas muito elegante" e expandir suas aplicações. Durante uma visita a Marselha, Alonso descreveu a placa para Brasselet, um especialista em nova instrumentação para fluorescência e imagens não lineares. Brasselet sugeriu imediatamente seu possível uso nas técnicas de microscopia em que estava trabalhando para obter imagens de moléculas individuais.

"Tem sido uma equipe muito complementar, ", Diz Brasselet.

20 anos em construção

Em 1873, Ernst Abbe estipulou que os microscópios nunca obteriam resolução melhor do que a metade do comprimento de onda da luz. Essa barreira permaneceu até que os ganhadores do Prêmio Nobel Eric Betzig e William Moerner - com sua microscopia de molécula única - e Stefan Hell - com sua microscopia de depleção de emissão estimulada - encontraram maneiras de contorná-la.

"Devido às suas realizações, o microscópio óptico pode agora perscrutar o nanomundo, "relatou o comitê do Nobel em 2014.

"O que faltou naquele Prêmio Nobel e no trabalho nos anos subsequentes foi a capacidade de não apenas saber com precisão a localização de uma molécula, mas ser capaz de caracterizar sua direção e especialmente seu movimento em três dimensões, "Brown diz.

Na verdade, a solução Brown, Alonso, e o Brasselet agora descreve teve suas origens há 20 anos.

A partir de 1999, Brown e um de seus Ph.D. alunos, Kathleen Youngworth, começou a investigar feixes ópticos incomuns que exibiam padrões incomuns de polarização óptica, a orientação da onda óptica. Alguns dos feixes exibiram um padrão radial semelhante a raios com propriedades intrigantes.

Youngworth demonstrou em uma mesa que, quando fortemente focado, os feixes exibiam componentes de polarização que apontavam em quase todas as direções em três dimensões.

Alexis Spilman Vogt, outro Ph.D. candidato, em seguida, trabalhei com Brown na criação dos mesmos efeitos, aplicando tensão nas bordas de um cilindro de vidro. Cunhado de Brown, Robert Sampson, uma ferramenta qualificada e especialista em matrizes, foi chamado para fabricar algumas amostras e encaixá-las em anéis de metal para uso com um microscópio confocal.

Isso envolveu o aquecimento dos anéis de vidro e metal. "O metal se expande a uma taxa mais rápida quando você o aquece do que o vidro, "Brown diz, "e assim você poderia aquecer o vidro e o metal muito quente, insira o vidro no meio do metal, e, à medida que esfria, o metal encolhe e cria uma força tremenda na periferia do vidro. "

Sampson inadvertidamente aplicou mais estresse do que o necessário com uma das placas. Assim que seu cunhado entregou a ele, Brown sabia que o prato tinha qualidades incomuns. O grupo de Rochester introduziu o termo "óptica de engenharia de estresse" para descrever os elementos e, à medida que aprenderam mais sobre o comportamento físico e a matemática, eles perceberam que as janelas poderiam ser o caminho para a solução de problemas inteiramente novos em microscopia.

E essa foi a origem do que agora é CHIDO, que, coincidentemente, Acontece que é uma gíria mexicana para "legal".

"Na época, Alexis e eu sabíamos que o vidro de engenharia de estresse era interessante, e provavelmente teria aplicativos úteis; nós apenas não sabíamos na época o que eles poderiam ser, "Brown diz. Agora, graças a sua colaboração com Alonso e Brasselet, ele espera que o CHIDO "capture a imaginação" de outros pesquisadores da área que possam ajudar a refinar e aplicar a tecnologia.