Quando as cidades se transformam em um mundo colorido de luzes à medida que a escuridão cai, muitas vezes só é possível estimar seus contornos, que dependendo da perspectiva podem chamar a atenção para detalhes importantes ou curiosidades. Na microscopia de fluorescência, as células biológicas são marcadas com corantes fluorescentes e excitadas para luminescência em áreas específicas por interruptores ópticos – como uma cidade à noite. No entanto, essa luz geralmente é muito fraca para objetos pequenos e rápidos ou até se apaga depois de um tempo. Isto é conhecido como "branqueamento por fluorescência".
Agora, uma nova abordagem desenvolvida pelo Prof. Dr. Alexander Rohrbach e sua equipe no Laboratório de Bio- e Nano-Fotônica da Universidade de Freiburg encontrou uma maneira de tornar os menores objetos claramente visíveis sem fluorescência. Desta forma, estruturas celulares ou partículas do tamanho de vírus podem ser observadas 100 a 1.000 vezes mais, dez a 100 vezes mais rápido e com resolução quase dobrada do que com microscopia de fluorescência. Enquanto a microscopia de fluorescência registra o que você pode chamar de "imagens noturnas" de estruturas, a microscopia ROCS captura "imagens diurnas" - opostos que podem se complementar de maneira excelente. Rohrbach e seus colegas descrevem várias aplicações da tecnologia na última edição da Nature Communications .

O laser azul direcionado ilumina o objeto em ângulo oblíquo

A tecnologia que eles usam é conhecida como "Rotating Coherent Scattering" (ROCS) e usa um feixe de laser azul de rápida rotação. "Estamos explorando vários fenômenos físicos familiares da vida cotidiana", explica Rohrbach, "Primeiro, pequenos objetos como moléculas, vírus ou estruturas celulares espalham - ou distribuem - mais a luz azul, que é conhecida das moléculas de ar na atmosfera e que percebemos como céu azul." Pequenos objetos espalham e direcionam cerca de dez vezes mais partículas de luz azul do que vermelha para a câmera e, assim, transmitem informações valiosas.

Em segundo lugar, o ROCS visa um laser azul em um ângulo altamente oblíquo nos objetos biológicos, porque isso aumenta significativamente o contraste e a resolução. Isso também já é familiar para nós:se você segurar um copo de vinho em um ângulo em relação à luz, é muito mais fácil detectar sujeira ou impressões digitais. Em terceiro lugar, os cientistas iluminam o objeto sucessivamente de cada direção com o feixe de laser oblíquo, porque a iluminação de apenas uma direção produziria muitos artefatos.

100 imagens por segundo de células vivas

O físico de Freiburg e os engenheiros do Departamento de Engenharia de Microssistemas (IMTEK) giram o feixe de laser oblíquo cem vezes por segundo em torno do objeto e, assim, produzem 100 imagens por segundo. "Então, em dez minutos já temos 60.000 imagens de células vivas, que se revelam muito mais dinâmicas do que se pensava anteriormente", diz Rohrbach. Análises dinâmicas como essa exigem um enorme poder de computação para processar apenas um minuto de material visual. Portanto, uma variedade de algoritmos de computador e processos analíticos tiveram que ser desenvolvidos primeiro para que os dados pudessem ser interpretados adequadamente.

Juntamente com seu colega Dr. Felix Jünger e em cooperação com vários grupos de pesquisa de Freiburg, Rohrbach foi capaz de demonstrar a capacidade do microscópio usando vários sistemas de células:"Nosso objetivo principal não era gerar belas imagens ou filmes da inesperada alta dinâmica de células - queríamos obter novos insights biológicos." Por exemplo, a tecnologia ROCS permitiu que eles observassem como os mastócitos abrem pequenos poros em apenas alguns milissegundos quando estimulados, a fim de ejetar grânulos esféricos a uma força e velocidade inexplicavelmente altas. Os grânulos contêm o transmissor histamina, que pode posteriormente levar a reações alérgicas.

Observando o comportamento de ligação de partículas do tamanho de vírus

Em outra série de experimentos, os pesquisadores foram capazes de observar como pequenas partículas do tamanho de vírus dançam em uma velocidade incrível ao redor da superfície áspera das células necrófagas, levando várias tentativas para encontrar um ponto de ligação na célula. Essas observações serviram como pré-testes para estudos em andamento sobre o comportamento de ligação dos coronavírus.

Além disso, a tecnologia ROCS tem sido utilizada dentro do cluster de pesquisa colaborativa CRC 1425 sobre a formação de cicatrizes em lesões cardíacas. Os fibroblastos, ou seja, células de tecido cicatricial, formam tubos finos de 100 nanômetros, os chamados nanotubos, que são 1.000 vezes mais finos que um fio de cabelo. Por essa nova tecnologia, Jünger e Rohrbach conseguiram descobrir que esses tubos vibram termicamente em uma escala de milissegundos, mas esse movimento diminui com o tempo. De acordo com análises matemáticas de atividade, isso indica um enrijecimento mecânico dos nanotubos.

Em outros experimentos, os cientistas finalmente puderam observar em muitos milhares de imagens como os filopódios - os "dedos" das células necrófagas - procuram em seu ambiente por presas usando um movimento complexo de pontilhamento e como os filopódios podem alterar seu citoesqueleto em velocidades anteriormente desconhecidas. + Explorar mais

Cientistas desenvolvem conceito para pinças ópticas controladas por feedback