p A sabedoria convencional afirma que a microscopia óptica não pode ser usada para "ver" algo tão pequeno quanto uma molécula individual. Mas como é normal, a ciência inteligente mais uma vez derrubou a sabedoria convencional. Secretário de Energia, Steven Chu, ganhador do Prêmio Nobel e ex-diretor do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), liderou o desenvolvimento de uma técnica que permite o uso da microscopia óptica para criar imagens de objetos ou a distância entre eles com resoluções tão pequenas quanto 0,5 nanômetros - metade de um bilionésimo de um metro, ou uma ordem de magnitude menor do que o melhor anterior. p "A capacidade de obter resolução sub-nanométrica em ambientes aquosos biologicamente relevantes tem o potencial de revolucionar a biologia, particularmente biologia estrutural, "diz o secretário Chu." Uma das motivações para este trabalho, por exemplo, era medir distâncias entre proteínas que formam múltiplos domínios, estruturas altamente complexas, como o conjunto de proteína que forma o sistema humano de RNA polimerase II, que inicia a transcrição do DNA. "

p O secretário Chu é co-autor de um artigo agora publicado na revista Natureza que descreve esta pesquisa. O artigo é intitulado "Subnanometre single-molecule localization, registro e medidas de distância. "Os outros autores são Alexandros Pertsinidis, um pesquisador de pós-doutorado e membro do grupo de pesquisa de Chu na Universidade da Califórnia (UC) Berkeley, que agora é professor assistente no Sloan-Kettering Institute, e Yunxiang Zhang, membro do grupo de pesquisa de Chu na Universidade de Stanford.

p De acordo com uma lei da física conhecida como "limite de difração, "a menor imagem que um sistema óptico pode resolver é cerca de metade do comprimento de onda da luz usada para produzir essa imagem. Para óptica convencional, isso corresponde a cerca de 200 nanômetros. Por comparação, uma molécula de DNA mede cerca de 2,5 nanômetros de largura.

p Embora sistemas de imagem não óticos, como microscópios eletrônicos, pode resolver objetos na escala do subnanômetro, esses sistemas operam em condições não ideais para o estudo de amostras biológicas. Detecção de marcadores fluorescentes individuais anexados a moléculas biológicas de interesse usando dispositivos de acoplamento de carga (CCDs) - matrizes de chips de silício que convertem a luz que entra em uma carga elétrica, produziu resoluções de até cinco nanômetros. Contudo, até agora, essa tecnologia foi incapaz de obter imagens de moléculas únicas ou distâncias entre um par de moléculas muito menores que 20 nanômetros.

p Chu e seus co-autores foram capazes de usar a mesma tecnologia de fluorescência CCD para resolver distâncias com precisão e exatidão subnanométricas, corrigindo um truque da luz. As cargas elétricas em uma matriz CCD são criadas quando os fótons atingem o silício e desalojam os elétrons, com a força da carga sendo proporcional à intensidade dos fótons incidentes. Contudo, dependendo precisamente de onde um fóton atinge a superfície de um chip de silício, pode haver uma ligeira diferença em como o fóton é absorvido e se ele gera uma carga mensurável. Esta não uniformidade na resposta da matriz de silício CCD aos fótons que chegam, que é provavelmente um artefato do processo de fabricação do chip, resulta em um desfoque de pixels que torna difícil resolver dois pontos que estão a poucos nanômetros um do outro.

p "Desenvolvemos um sistema de feedback ativo que nos permite colocar a imagem de uma única molécula fluorescente em qualquer lugar da matriz CCD com precisão de subpixel, que por sua vez nos permite trabalhar em uma região menor do que a escala de comprimento de três pixels típica da não uniformidade CCD, "diz Pertsinidis, quem é o autor principal do artigo da Nature. "Com este sistema de feedback, mais o uso de feixes ópticos adicionais para estabilizar o sistema do microscópio, podemos criar uma região calibrada na matriz de silício onde o erro devido à não uniformidade é reduzido para 0,5 nanômetros. Ao colocar as moléculas que queremos medir no centro desta região, podemos obter a resolução do subnanômetro usando um microscópio óptico convencional que você pode encontrar em qualquer laboratório de biologia. "

p Chu diz que a capacidade de mover o palco de um microscópio a pequenas distâncias e calcular o centro geométrico (centróide) da imagem torna possível não apenas medir a não uniformidade da foto-resposta entre os pixels, mas também para medir a não uniformidade dentro de cada pixel individual.

p "Conhecer essa não uniformidade nos permite fazer correções entre a posição aparente e a posição real do centróide da imagem, "diz Chu." Uma vez que esta resposta não uniforme é incorporada à matriz CCD e não muda de um dia para o outro, nosso sistema de feedback ativo nos permite criar imagens repetidamente na mesma posição da matriz CCD. "

p Pertsinidis está continuando a trabalhar com Chu e outros no grupo no desenvolvimento e na aplicação dessa técnica de super-resolução. Além do sistema humano RNA polimerase II, ele e o grupo estão usando-o para determinar a estrutura das moléculas de caderina epitelial que são responsáveis ​​pela adesão célula a célula que mantém o tecido e outros materiais biológicos juntos. Pertsinidis, Zhang, e outro pós-doutorado no grupo de pesquisa de Chu, Sang Ryul Park, também estão usando essa técnica para criar medições 3D da organização molecular dentro das células cerebrais.

p "A ideia é determinar a estrutura e a dinâmica do processo de fusão das vesículas que libera as moléculas do neurotransmissor usadas pelos neurônios para se comunicarem entre si, "Pertsinidis diz." No momento, estamos obtendo medições in situ com uma resolução de cerca de 10 nanômetros, mas achamos que podemos empurrar essa resolução para dentro de dois nanômetros. "

p Em uma colaboração com Joe Gray, Diretor Associado do Berkeley Lab para Ciências da Vida e um importante pesquisador de câncer, pós-doutorandos no grupo de pesquisa de Chu também estão usando a técnica de super-resolução para estudar a ligação de moléculas de sinalização na proteína RAS, que tem sido associada a vários tipos de câncer, incluindo as do seio, pâncreas, pulmão e cólon. Esta pesquisa pode ajudar a explicar por que as terapias contra o câncer que funcionam bem em alguns pacientes são ineficazes em outros.

p Além de suas aplicações biológicas, Pertsinidis, Zhang e Chu em seu Natureza o jornal afirma que sua técnica de super-resolução também deve ser valiosa para caracterizar e projetar sistemas de imagem fotométrica de precisão em física atômica ou astronomia, e permitir novas ferramentas em litografia óptica e nanometrologia.