Los investigadores de Northwestern Engineering han desarrollado una nueva plataforma que puede obtener imágenes de moléculas individuales en 3-D, permitiendo sondas más profundas en el funcionamiento interno de las células.

La plataforma utiliza microscopía de localización espectroscópica de una sola molécula (sSMLM), una herramienta que puede capturar simultáneamente la información espacial de moléculas individuales y sus firmas espectroscópicas.

Los investigadores mejoraron la herramienta combinando sSMLM existente con un sistema de dos espejos, lo que le permite obtener imágenes de moléculas en 3-D a profundidades mucho mayores. Esta nueva herramienta podría ayudar a los biólogos moleculares a comprender los procesos complejos dentro de las células.

"Nuestro diseño es relativamente fácil de implementar, y nos permitirá estudiar las interacciones moleculares mucho mejor que antes, "dijo Hao Zhang, profesor de ingeniería biomédica y coautor de la investigación. "Ahora no solo podemos ver dónde están las moléculas, sino también lo que son ". Zhang desarrolló la tecnología con Cheng Sun, profesor asociado de ingeniería mecánica.

Los resultados fueron publicados el 21 de mayo en la revista Optica . Los coautores incluyeron Ki-HeeSong, un doctorado candidato, y Yang Zhan, un becario postdoctoral, ambos del departamento de Ingeniería Biomédica de Northwestern.

Imágenes en 3-D

En años recientes, Los científicos e ingenieros han utilizado sSMLM para comprender mejor las interacciones moleculares y la dinámica celular. El sistema proporciona información sobre la ubicación de las moléculas y cómo esas moléculas interactúan con la luz. que les dice a los científicos qué tipo de molécula ven.

Pero el sistema solo funciona en dos dimensiones, dando solo una vista parcial de las moléculas y sus interacciones.

Zhang y Sun querían extender las imágenes a 3-D y originalmente desarrollaron una forma de hacerlo agregando una lente adicional, pero descubrió que un par de espejos puede lograr el mismo efecto de una manera mucho más elegante.

Los espejos funcionan introduciendo una diferencia de longitud de trayectoria óptica en el sistema que mejora la forma en que el sistema utiliza fotones. A diferencia de las lentes, la mayoría de los espejos no atenúan la luz que se refleja, lo que significa que se pueden usar más fotones para la localización nanoscópica para crear una imagen más nítida y extender la imagen en un rango de profundidad 3-D.

Con capacidad de generación de imágenes a nanoescala 3-D, los investigadores pueden ver que ocurren más interacciones dentro del volumen intracelular sin ser eclipsados ​​por la superficie. Por ejemplo, Zhang, Sol, y sus colaboradores están utilizando el sistema para estudiar la distribución intercelular de moléculas, observando cómo el ARN se transporta e interactúa con los orgánulos celulares antes de traducirse en proteínas.

"Este sistema podría tener profundas implicaciones en biología molecular, "Dijo Zhang.

Aunque los sistemas de imágenes moleculares anteriores usaban filtros ópticos para detectar diferentes tipos de moléculas en función de sus colores de emisión bien separados, el nuevo sistema puede detectar pequeñas diferencias en las emisiones moleculares de cada molécula diferente y analizar el espectro para diferenciarlas.

"Ahora podemos codificar por colores cada molécula, ", Dijo Sun." Esa es una fortaleza clave ".

Comprender los procesos a nanoescala

Próximo, los investigadores esperan seguir perfeccionando la tecnología, así como utilizarlo en estudios de biología molecular.

Están trabajando con colaboradores para estudiar la estructura de poros del núcleo y cómo está involucrado en la diferenciación de células madre. y también están estudiando la despolarización de la membrana mitocondrial, un evento asociado con muchas enfermedades, incluida la pérdida de visión en pacientes diabéticos. También esperan que su tecnología ayude a otros en el campo.

"Es un diseño muy elegante, ", Dijo Sun." El sistema se puede implementar muy fácilmente en otros laboratorios, y tiene una hermosa actuación ".