Los investigadores de la Universidad de Rice han creado un método para diseñar máscaras personalizadas que transforman imágenes de microscopía fluorescente 2D en películas 3D. Crédito:Grupo de Investigación de las Landas / Universidad de Rice
Los investigadores de la Universidad de Rice han agregado una nueva dimensión a su técnica innovadora que amplía las capacidades de los microscopios de laboratorio estándar.
Hace dos años, el laboratorio de Rice de la química Christy Landes introdujo la microscopía de resolución súper temporal, una técnica que permitió a los investigadores obtener imágenes de moléculas fluorescentes 20 veces más rápido de lo que normalmente permiten las cámaras de laboratorio tradicionales. Ahora han desarrollado un método general para permitir que un microscopio capture información espacial 3-D junto con la cuarta dimensión, movimiento molecular a lo largo del tiempo.
Esta, ellos dicen, ayudará a los científicos que estudian procesos dinámicos a ver dónde se encuentran las moléculas de interés y qué tan rápido se mueven, por ejemplo, dentro de las células vivas.
El método de Rice para expandir las capacidades de los microscopios de fluorescencia de campo amplio existentes se detalla en el documento de acceso abierto del equipo en Óptica Express .
Describe la creación de máscaras de fase personalizadas:transparente, discos giratorios que manipulan la fase de la luz para cambiar la forma de la imagen capturada por la cámara del microscopio. La forma contiene información sobre la posición tridimensional de una molécula en el espacio y cómo se comporta a lo largo del tiempo dentro del campo de visión de la cámara.
Una máscara de fase convierte lo que parece un inconveniente, la mancha borrosa en una imagen de microscopio, en un activo. Los científicos le dan a esta mancha un nombre (función de dispersión de puntos) y la utilizan para obtener detalles sobre objetos por debajo del límite de difracción que son más pequeños de lo que pueden ver todos los microscopios de luz visible.
Una imagen de microscopio electrónico muestra una máscara de fase programada por un algoritmo creado en la Universidad de Rice. La máscara personalizable permite al laboratorio de Rice tomar imágenes de moléculas para determinar su profundidad y qué tan rápido se mueven. incluso si son más rápidos que el fotograma de una sola cámara. Crédito:Grupo de Investigación de las Landas / Universidad de Rice
El trabajo original utilizó una máscara de fase giratoria que transformó la luz de una sola molécula fluorescente en lo que los investigadores llamaron una doble hélice giratoria. La imagen capturada apareció en la cámara como dos discos brillantes, como los lóbulos de una barra. En el nuevo trabajo Las barras giratorias les permiten ver no solo dónde están las moléculas en el espacio tridimensional, pero también le dio a cada molécula una marca de tiempo.
El corazón del nuevo trabajo radica en los algoritmos del autor principal y ex alumno de ingeniería eléctrica e informática de Rice, Wenxiao Wang. Los algoritmos hacen que sea práctico diseñar máscaras de fase personalizadas que modifiquen la forma de la función de dispersión de puntos.
"Con la máscara de fase de doble hélice, la hora en que se conectaron la información y la información espacial, "dijo el coautor Chayan Dutta, investigador postdoctoral en el laboratorio de las Landas. "La rotación de los lóbulos podría expresar información de espacio 3-D o tiempo rápido, y no había forma de diferenciar entre tiempo y espacio ".
Mejores máscaras de fase resuelven ese problema, él dijo. "El nuevo diseño de máscara de fase, que llamamos máscara de fase de lóbulo de estiramiento, desacopla el espacio y el tiempo, "Dutta dijo." Cuando los objetivos están a diferentes profundidades, los lóbulos se estiran más o se acercan, y la información de tiempo ahora está codificada solo en la rotación ".
El truco consiste en manipular la luz en la máscara de la fase de giro para optimizar el patrón para diferentes profundidades. Eso se logra mediante el patrón refractivo programado en la máscara por el algoritmo. "Cada capa está optimizada en el algoritmo para diferentes profundidades de detección, ", dijo el estudiante de posgrado y coautor Nicholas Moringo." ¿Dónde antes, pudimos ver objetos en dos dimensiones a lo largo del tiempo, ahora podemos ver las tres dimensiones espaciales y el comportamiento rápido en el tiempo simultáneamente ".
Las funciones de dispersión puntual de moléculas individuales, capturados como lóbulos dobles a través de una máscara de fase (izquierda), puede decirles a los investigadores dónde está la molécula en el espacio 3D. La distancia entre los lóbulos les da la profundidad de la molécula. Crédito:Grupo de Investigación de las Landas / Universidad de Rice
"Los microscopios de fluorescencia de campo amplio se utilizan en muchos campos, especialmente biología celular e imágenes médicas, Landes dijo:"Estamos empezando a demostrar cómo manipular la fase de la luz dentro de un microscopio es una forma razonablemente sencilla de mejorar la resolución de espacio y tiempo en comparación con el desarrollo de nuevas etiquetas fluorescentes o la ingeniería de nuevas mejoras de hardware".
Un resultado importante que podría tener un gran atractivo, ella dijo, es que los investigadores generalizaron el diseño de la máscara de fase para que los investigadores puedan fabricar máscaras para crear prácticamente cualquier patrón arbitrario. Demostrar, el grupo diseñó y fabricó una máscara para crear una función compleja de dispersión de puntos que deletrea RICE en diferentes profundidades focales. Un video muestra que las letras fantasmales aparecen y desaparecen a medida que el microscopio se mueve a diferentes profundidades por encima y por debajo del plano focal.
Dicha flexibilidad será útil para aplicaciones como analizar procesos dentro de células cancerosas vivas, un proyecto que el laboratorio espera llevar a cabo pronto con los socios del Texas Medical Center.
"Si tiene una celda en un portaobjetos de vidrio, podrá comprender dónde están los objetos en la celda en relación entre sí y qué tan rápido se mueven, ", Dijo Moringo." Las cámaras no son lo suficientemente rápidas para capturar todo lo que sucede en una celda, pero nuestro sistema puede ".
