Il "Grande Microscopio Unificato" è in grado di vedere strutture sia su micro che su nanoscala
I ricercatori hanno unificato due tecniche convenzionali che finora sono state utilizzate per effettuare osservazioni su micro o nanoscala
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I ricercatori Kohki Horie, Keiichiro Toda, Takuma Nakamura e Takuro Ideguchi dell'Università di Tokyo hanno costruito un microscopio in grado di rilevare un segnale in un intervallo di intensità quattordici volte più ampio rispetto ai microscopi convenzionali. Inoltre, le osservazioni sono effettuate senza etichette, cioè senza l'uso di coloranti aggiuntivi. Ciò significa che il metodo è delicato per le cellule e adeguato per le osservazioni a lungo termine, con un potenziale per le applicazioni di test e controllo di qualità nelle industrie farmaceutiche e biotecnologiche. I risultati sono pubblicati sulla rivista Nature Communications.
Illustrazione concettuale del microscopio a diffusione quantitativa bidirezionale, che rileva la luce diffusa dalle cellule sia in avanti che all'indietro. Questo doppio rilevamento consente di visualizzare strutture che vanno dalla morfologia dell'intera cellula alle particelle in scala nanometrica.
Horie et al 2025
I microscopi hanno svolto un ruolo fondamentale nello sviluppo della scienza fin dal XVI secolo. Tuttavia, il progresso ha richiesto non solo apparecchiature e analisi più sensibili e accurate, ma anche più specializzate. Pertanto, le tecniche moderne e all'avanguardia hanno dovuto trovare dei compromessi. La microscopia quantitativa di fase (QPM) sfrutta la luce diffusa in avanti ed è in grado di rilevare strutture su microscala (in questo studio, oltre 100 nanometri), ma non più piccole. Di conseguenza, questa tecnica è stata utilizzata principalmente per scattare immagini statiche di strutture cellulari relativamente complesse. La microscopia a diffusione interferometrica (iSCAT), invece, sfrutta la luce retrodiffusa e può rilevare strutture piccole come singole proteine. In quanto tale, può essere utilizzata per "seguire" le singole particelle, consentendo di comprendere i cambiamenti dinamici all'interno della cellula, ma non può fornire una visione completa come la QPM.
"Vorrei capire i processi dinamici all'interno delle cellule viventi utilizzando metodi non invasivi", spiega Horie, uno dei primi autori del lavoro.
Il team di ricerca ha quindi cercato di capire se la misurazione simultanea di entrambe le direzioni della luce potesse superare il compromesso e rivelare un'ampia gamma di dimensioni e movimenti dalla stessa immagine. Per testare l'idea e confermare che il microscopio appena costruito funzionava come sperato, i ricercatori si sono messi a osservare cosa succedeva durante la morte cellulare. Hanno registrato un'immagine che codificava le informazioni provenienti dalla luce che viaggiava sia in avanti che all'indietro.
"La nostra sfida più grande", spiega Toda, altro primo autore, "è stata quella di separare in modo netto due tipi di segnali da una singola immagine, mantenendo basso il rumore ed evitando che si mescolassero tra loro".
Di conseguenza, sono stati in grado di quantificare non solo il movimento delle strutture cellulari (micro), ma anche quello di minuscole particelle (nano). Inoltre, confrontando la luce diffusa in avanti e quella diffusa all'indietro, hanno potuto stimare le dimensioni e l'indice di rifrazione di ciascuna particella, una proprietà che descrive quanto la luce si piega o si disperde quando attraversa le particelle.
"Abbiamo in programma di studiare particelle ancora più piccole", dice Toda, pensando già a ricerche future, "come esosomi e virus, e di stimare le loro dimensioni e il loro indice di rifrazione in campioni diversi. Vogliamo anche rivelare come le cellule viventi si muovono verso la morte controllando il loro stato e ricontrollando i nostri risultati con altre tecniche".
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