A visualização de células biológicas sob um microscópio ficou mais clara, graças à pesquisa conduzida pelo estudante de graduação Yifei Jiang e o pesquisador principal Jason McNeill, do departamento de química da Clemson University.

Com a ajuda de Rhonda Powell e Terri Bruce, da Clemson's Light Imaging Facility, a equipe foi capaz de desenvolver um "interruptor" de nanopartículas que fica fluorescente para aumentar a resolução de imagens microscópicas que representam pequenas estruturas celulares. Como publicado recentemente em Nano Letras , essa mudança melhora um método de imagem que ganhou o Prêmio Nobel de Química de 2014.

Como as estruturas celulares emitem luz em comprimentos de onda menores que 400-700 nanômetros no espectro eletromagnético, eles freqüentemente aparecem borrados em um microscópio óptico. Esta restrição é conhecida como limite de difração, e isso ocorre por causa das propriedades ondulatórias da luz. À medida que a luz passa pelas estruturas dentro das células biológicas, isso difrata, ou curvas, a um ponto que os microscópios de luz não podem resolver claramente. O método de imagem premiado de 2014 - microscopia de localização de molécula única - foi inventado para superar essa limitação.

"A microscopia de localização de molécula única é baseada em 'fotocópias' moleculares - moléculas fluorescentes que você pode ligar e desligar, como um interruptor de luz, para vencer o limite de difração, "McNeill disse." Com este método de imagem, a amostra é fotografada com uma molécula fluorescente de cada vez e um computador é usado para construir uma imagem que é muito mais nítida do que você poderia obter com um microscópio de luz normal. "

A pegada, Contudo, é que a fluorescência fornecida pelos photoswitches é fraca, na melhor das hipóteses, com apenas uma ligeira melhora na resolução da imagem. A microscopia de localização de molécula única também requer equipamento especializado cuja obtenção pode ser cara.

Cue the "buckyswitch" - a versão aprimorada de um photoswitch dos pesquisadores do Clemson. Este novo tipo de nanopartícula retém a capacidade liga-desliga do photoswitch, mas é 10 vezes mais brilhante e fácil de usar. Também permite que os microscópios capturem imagens até o nível do terapixel. (Isso é o equivalente a um trilhão de pixels, ou um milhão de megapixels.)

"Essas nanopartículas são as primeiras fotocópias a atingir uma precisão de aproximadamente 1 nanômetro, o que melhora muito a resolução da imagem de super-resolução, "Disse Jiang." Além disso, nosso método requer apenas uma fonte de luz de excitação, onde as técnicas convencionais de super-resolução requerem dois lasers; portanto, simplificamos a configuração do microscópio. "

Jiang montou a buckyswitch com uma lâmpada fluorescente, polímero conjugado semicondutor complexado com um derivado químico de buckminsterfullereno:uma forma de carbono em forma de bola de futebol.

"A parte difícil de fazer uma nanopartícula fluorescente que você pode ligar e desligar é que existem muitas áreas emitindo fluorescência ao mesmo tempo, "McNeill disse." No caso do polímero conjugado fluorescente, existem dezenas ou centenas de segmentos de cadeia. Você pode tentar fazer várias pequenas mudanças para cada segmento, mas é difícil fazer com que todos desliguem ao mesmo tempo. Você não pode sincronizá-los. "

Ao adicionar o derivado de buckminsterfullerene, chamado PCBM, para a fabricação de buckyswitches, um "interruptor mestre" é formado que regula a carga atômica dos segmentos do polímero, sincronizando assim a fluorescência. O PCBM é capaz de apreender elétrons do segmento de polímero, dando ao segmento uma carga global positiva. Esta carga positiva reduz a fluorescência dos segmentos próximos, que tem um efeito dominó que desliga a fluorescência em toda a nanopartícula.

Bruce - cuja formação abrange os tópicos de engenharia química, biologia aplicada, biologia Celular, e experiência em ensino e indústria - compara este método de imagem à visão de uma ponte suspensa à noite.

"Os fios da ponte são frequentemente iluminados, e quando você está longe da ponte, as luzes parecem uma 'corda' contínua de luz, em vez de lâmpadas individuais. Contudo, se você puder fazer as lâmpadas piscarem - de modo que apenas todas as outras lâmpadas estejam "acesas" a qualquer momento - seus olhos podem discernir as lâmpadas individuais de longe, "Bruce disse." A base para microscopia de super-resolução está na capacidade de fazer rótulos fluorescentes 'piscarem' assim como as luzes na ponte. O trabalho que o laboratório do Dr. McNeill está fazendo é vital para o avanço desta tecnologia porque se concentra em tornar as piscadas individuais muito mais brilhantes, para que nossos detectores de fótons atuais possam realmente ver as piscadas. Se pudermos ver as piscadas com uma câmera ou outro detector de fótons, podemos mapear onde ocorre o piscar, e criar uma imagem onde possamos discernir dois pontos de luz que estão a 10-20 nanômetros um do outro. "

Uma vez que o buckyswitch foi sintetizado, Jiang testou em E. coli, mas não antes de desenvolver um meio de crescimento exclusivo para a bactéria. Tipicamente, E. coli é cultivada em meio que é autofluorescente, o que significa que emite luz naturalmente. Sem a mídia adequada, a fluorescência do buckyswitch seria obscurecida pela luz de fundo, algo que Powell sublinhou.

"Um estudo como o que Yifei conduziu exigiu muito pouca fluorescência de fundo, então pesquisei componentes de mídia que seriam menos prováveis ​​de serem autofluorescentes e preparei uma 'receita' para um não convencional, meio nutriente menos autofluorescente para cultura de bactérias, "disse Powell, que estudou ciências biológicas e microbiologia na Clemson antes de se tornar gerente do laboratório de pesquisa do Clemson Light Imaging Facility. Powell e Bruce também trabalharam para fornecer a Jiang E. coli para o estudo.

Depois que todos os componentes necessários foram ajustados, Jiang ligou as nanopartículas buckyswitches à superfície de E. coli. Como esperado, as buckyswitches emitiram pequenos flashes de luz, o que permitiu aos pesquisadores determinar suas posições precisas. Eles então juntaram cada flash de luz para reconstruir a forma da E. coli, produzindo uma imagem de super-resolução.

"Esperamos que esta descoberta possa eventualmente ajudar os pesquisadores a lidar com problemas difíceis em biologia, levando a avanços na compreensão e tratamento de doenças, "disse a equipe Clemson.

A equipe projetou os buckyswitches para funcionar com microscópios fluorescentes padrão e software gratuito que está disponível online, tornando a tecnologia barata e acessível para laboratórios em todo o mundo.

Sua publicação, intitulado "Improved Superresolution Imaging Using Telegraph Noise in Organic Semiconductor Nanoparticles, "é destaque na edição de 14 de junho da Nano Letras .