A obtenção de imagens de materiais muito pequenos exige não apenas grande habilidade por parte do microscopista, mas também ótimos instrumentos e técnicas. Para uma visão microscópica refinada de materiais biológicos, os desafios incluem obter uma imagem livre de "ruído, "a interferência que pode ser causada por uma série de itens, incluindo a área ao redor de um item. Rótulos, tintas, ou manchas que são adicionadas para ver o item com mais clareza também podem apresentar problemas, pois podem afetar o item a ser verificado de maneiras inesperadas - danificando ou até mesmo matando materiais biológicos.

Observar os microtúbulos é um caso interessante. A estrutura tubular oca serve como uma espinha dorsal das células e ajuda a transportar materiais na célula. Microtúbulos com mau funcionamento têm sido associados a várias doenças, incluindo câncer e doença de Alzheimer.

Compreender como os microtúbulos funcionam pode ser um passo importante na compreensão da progressão da doença. Contudo, estudando um único microtúbulo dinâmico, que mede 24 nanômetros de diâmetro, e até 10 mícrons de comprimento, não é uma tarefa fácil.

Pesquisadores do Laboratório de Imagens Quantitativas de Luz do Instituto Beckman de Ciência e Tecnologia Avançada da Universidade de Illinois puderam usar microscopia de interferência de luz espacial sem rótulos (SLIM) e processamento de computador para obter imagens dos microtúbulos em um ensaio. O estudo, "Label-Free Imaging of Single Microtubule Dynamics Using Spatial Light Interference Microscopy, "foi publicado recentemente em ACS Nano .

Ser capaz de ver os microtúbulos sem o uso de corantes ou manchas é uma grande contribuição.

"O aspecto livre de rótulos é o principal avanço, na minha opinião, "disse Gabriel Popescu, professor associado de engenharia elétrica e da computação, e membro do Grupo de Ciência e Tecnologia de Bioimagem da Beckman. Popescu é o autor sênior do estudo.

"Tem havido outros esforços para tornar este rótulo livre, é uma classe de desafios muito importante. As técnicas atuais geram campos de visão menores, e o contraste da imagem não é tão bom. "

Medindo quanta luz está atrasada através da amostra em todos os pontos do campo de visão, os pesquisadores são capazes de encontrar o mapa do comprimento do caminho óptico para a amostra. Este comprimento de caminho óptico - ou informação de fase - se relaciona ao índice de refração e espessura de uma amostra, permitindo estudos detalhados sobre a estrutura e dinâmica celular.

"O instrumento fornece um desfoque da imagem que é muito maior do que o tamanho do microtúbulo, "explica Popescu." Portanto, é como se estivesse manchando os valores desse atraso de fase. Mas, como nosso sistema é muito bom, podemos fazer o backup e chegar a um valor de índice eficaz para o microtúbulo, qual é correto."

O processamento numérico usado fornece a sensibilidade não apenas para ver os túbulos, mas também é usado para medir a dispersão de luz.

"Um ponto importante da física é que, uma vez que você conhece a intensidade e a fase da luz, então você pode processar numericamente essas informações e propagar virtualmente a luz em qualquer lugar do espaço, inclusive em um plano longe do microtúbulo, a fim de estudar a luz espalhada, "disse Popescu.

Esforços anteriores na imagem das estruturas minúsculas usaram imunofluorescência, injetar anticorpos em corantes fluorescentes para ver claramente a célula como ela funciona. Contudo, a fluorescência pode afetar a função celular e o período de tempo em que a célula pode ser visualizada.

"Nós os imaginamos por um longo período de tempo, não dois ou três minutos, mas mais como oito horas, "disse Mikhail Kandel, estudante de doutorado em engenharia elétrica e da computação e autor principal do estudo. “As pessoas estão interessadas nas taxas metabólicas das proteínas que andam nos microtúbulos e mostramos como é possível observar a desaceleração dessas proteínas, o que equivale a monitorar o consumo de sua fonte de combustível. "

"Você poderia descobrir o consumo de ATP e as características de motilidade das proteínas, que são muito interessantes. "

Os pesquisadores da Beckman trabalharam com Paul Selvin, professor de física.

"Isso acabou de sair de uma discussão com o grupo de Paul Selvin, que estudam microtúbulos há muito tempo usando métodos tradicionais de fluorescência, "disse Popescu." Mikhail entrou em contato com seus alunos e eles disseram:vamos tentar. Vê-los com outros tipos de fluorescência é uma grande melhoria porque você pode basicamente visualizá-los para sempre. "

"Meu grupo está interessado em ver como as proteínas se movem em torno dos microtúbulos, "disse Selvin, um dos autores do estudo. "Esta nova técnica não só nos permite ter uma ideia de como as células funcionarão ao longo do tempo, mas também levanta a possibilidade de imagens de células in vivo. "

SLIM é um produto fabricado comercialmente que pode ser adaptado para atualização em qualquer microscópio, dizem os pesquisadores. Isso permite que os biólogos usem outras técnicas de microscopia, incluindo fluorescência, além de SLIM. O produto SLIM está disponível através da Phi Optics, uma empresa fundada por Popescu.

"Um dos maiores desafios da interferometria é a sensibilidade, que é afetado drasticamente pelo ruído ambiental, por exemplo, vibrações ou flutuações do ar. Mas com a geometria estável particular usada em SLIM, podemos realmente alcançar uma sensibilidade incrível em frações de nanômetros, "disse Popescu.

Os pesquisadores planejam ultrapassar os limites das células de imagem, esperançosamente imagiologia de microtúbulos em células vivas.

"Se conseguirmos empurrar isso em uma célula viva, isso seria um grande avanço, "disse Popescu." Antecipamos grandes desafios por causa do background que existe nas células. Encorajado por esses resultados, estamos pensando que um dia poderemos ter essa sensibilidade para ver as mudanças de fase de moléculas individuais.

"Ainda não chegamos lá, mas pode-se sonhar. "