Usando um microscópio de luz comum, Os engenheiros do MIT desenvolveram uma técnica para obter imagens de amostras biológicas com precisão na escala de 10 nanômetros - o que deve permitir a imagem de vírus e, potencialmente, até mesmo de biomoléculas individuais, dizem os pesquisadores.

A nova técnica baseia-se na microscopia de expansão, uma abordagem que envolve incorporar amostras biológicas em um hidrogel e, em seguida, expandi-las antes de capturá-las com um microscópio. Para a versão mais recente da técnica, os pesquisadores desenvolveram um novo tipo de hidrogel que mantém uma configuração mais uniforme, permitindo maior precisão na geração de imagens de estruturas minúsculas.

Este grau de precisão pode abrir a porta para estudar as interações moleculares básicas que tornam a vida possível, diz Edward Boyden, a Y. Eva Tan Professora de Neurotecnologia, professor de engenharia biológica e ciências do cérebro e cognitivas no MIT, e membro do Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro do MIT e do Instituto Koch para Pesquisa Integrativa do Câncer.

"Se você pudesse ver as moléculas individuais e identificar de que tipo elas são, com precisão de nanômetro de um dígito, então você poderá realmente observar a estrutura da vida. E estrutura, como um século de biologia moderna nos disse, governa a função, "diz Boyden, quem é o autor sênior do novo estudo.

Os principais autores do artigo, que aparece hoje em Nature Nanotechnology, são o cientista pesquisador do MIT Ruixuan Gao e Chih-Chieh "Jay" Yu Ph.D. '20. Outros autores incluem Linyi Gao Ph.D. '20; o ex-pós-doutorado do MIT Kiryl Piatkevich; Rachael Neve, diretor do Gene Technology Core no Massachusetts General Hospital; James Munro, um professor associado de microbiologia e sistemas fisiológicos na University of Massachusetts Medical School; e Srigokul Upadhyayula, um ex-professor assistente de pediatria na Harvard Medical School e um professor assistente residente em biologia celular e do desenvolvimento na Universidade da Califórnia em Berkeley.

Baixo custo, alta resolução

Muitos laboratórios em todo o mundo começaram a usar microscopia de expansão desde que o laboratório de Boyden a introduziu em 2015. Com esta técnica, pesquisadores aumentam fisicamente suas amostras cerca de quatro vezes em dimensão linear antes de imaginá-las, permitindo-lhes gerar imagens de alta resolução sem equipamentos caros. O laboratório de Boyden também desenvolveu métodos para rotular proteínas, RNA, e outras moléculas em uma amostra para que possam ser visualizadas após a expansão.

"Centenas de grupos estão fazendo microscopia de expansão. Há claramente uma demanda reprimida por um processo fácil, método barato de nanoimagem, "Boyden diz." Agora a questão é, quão bom podemos conseguir? Podemos chegar à precisão de uma única molécula? Porque no final, você deseja chegar a uma resolução que desça até os blocos de construção fundamentais da vida. "

Outras técnicas, como microscopia eletrônica e imagem de super-resolução, oferecem alta resolução, mas o equipamento necessário é caro e não é amplamente acessível. Microscopia de expansão, Contudo, permite imagens de alta resolução com um microscópio de luz comum.

Em um artigo de 2017, O laboratório de Boyden demonstrou resolução de cerca de 20 nanômetros, usando um processo no qual as amostras foram expandidas duas vezes antes da imagem. Esta abordagem, bem como as versões anteriores da microscopia de expansão, depende de um polímero absorvente feito de poliacrilato de sódio, montado usando um método chamado síntese de radicais livres. Esses géis incham quando expostos à água; Contudo, uma limitação desses géis é que eles não são completamente uniformes em estrutura ou densidade. Essa irregularidade leva a pequenas distorções na forma da amostra quando ela é expandida, limitando a precisão que pode ser alcançada.

Para superar isso, os pesquisadores desenvolveram um novo gel chamado tetra-gel, que forma uma estrutura mais previsível. Ao combinar moléculas de PEG tetraédricas com poliacrilatos de sódio tetraédricos, os pesquisadores conseguiram criar uma estrutura semelhante a uma rede que é muito mais uniforme do que os hidrogéis de poliacrilato de sódio sintetizados por radicais livres que eles usavam anteriormente.

Os pesquisadores demonstraram a precisão desta abordagem usando-a para expandir as partículas do vírus herpes simplex tipo 1 (HSV-1), que têm uma forma esférica distinta. Depois de expandir as partículas de vírus, os pesquisadores compararam as formas com as formas obtidas por microscopia eletrônica e descobriram que a distorção era menor do que a observada em versões anteriores de microscopia de expansão, permitindo-lhes atingir uma precisão de cerca de 10 nanômetros.

"Podemos observar como os arranjos dessas proteínas mudam à medida que são expandidos e avaliar o quão próximos estão da forma esférica. Foi assim que validamos e determinamos o quão fielmente podemos preservar a nanoestrutura das formas e os arranjos espaciais relativos de essas moléculas, "Ruixuan Gao diz.

Moléculas únicas

Os pesquisadores também usaram seu novo hidrogel para expandir células, incluindo células renais humanas e células cerebrais de camundongos. Eles agora estão trabalhando em maneiras de melhorar a precisão a ponto de poderem criar imagens de moléculas individuais dentro de tais células. Uma limitação desse grau de precisão é o tamanho dos anticorpos usados ​​para marcar moléculas na célula, que têm cerca de 10 a 20 nanômetros de comprimento. Para criar imagens de moléculas individuais, os pesquisadores provavelmente precisariam criar rótulos menores ou adicioná-los após a conclusão da expansão.

Eles também estão explorando se outros tipos de polímeros, ou versões modificadas do polímero tetra-gel, poderia ajudá-los a obter uma maior precisão.

Se eles puderem atingir precisão em moléculas individuais, muitas novas fronteiras podem ser exploradas, Boyden diz. Por exemplo, os cientistas puderam vislumbrar como diferentes moléculas interagem umas com as outras, que poderia lançar luz sobre as vias de sinalização celular, ativação da resposta imune, comunicação sináptica, interações droga-alvo, e muitos outros fenômenos biológicos.

"Adoraríamos olhar para as regiões de uma célula, como a sinapse entre dois neurônios, ou outras moléculas envolvidas na sinalização célula-célula, e descobrir como todas as partes se comunicam, "ele diz." Como eles funcionam juntos e como eles erram nas doenças? "