El desarrollo de nuevos dispositivos científicos que superan los límites de lo que podemos observar y medir no ocurre de la noche a la mañana. Por lo general, hay pequeños pasos involucrados, pequeñas y continuas mejoras para contrarrestar los numerosos obstáculos técnicos que surgen en el camino. El nuevo microscopio electrónico de última generación desarrollado por el profesor Tsumoru Shintake en la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) no es una excepción a la regla. A través del desarrollo de este microscopio único en su tipo, Los investigadores de OIST informaron de un paso tan crucial en la revista Microscopy utilizando capas de grafeno delgadas como átomos para mejorar las imágenes microscópicas de virus minúsculos.

Los microscopios electrónicos se basan en un haz de electrones en lugar de luz para iluminar la muestra objetivo. El haz de electrones golpearía la muestra, con la dispersión resultante de los electrones, lo que permite a los científicos construir una imagen precisa del objetivo. De esta manera, Los microscopios electrónicos pueden alcanzar una resolución mucho más alta en comparación con los dispositivos basados ​​en luz. El microscopio único del profesor Shintake ya ni siquiera depende de las lentes ópticas, en su lugar, utiliza un detector para revelar qué electrones impactan en las pequeñas muestras de virus y reconstruye la imagen a través de un algoritmo informático. Es más, mientras que los microscopios electrónicos convencionales requieren electrones de alta energía, este microscopio se enfoca más bien en electrones de baja energía que potencialmente pueden ser mucho más eficientes en la obtención de imágenes de virus si se pueden superar los problemas técnicos asociados.

"Los electrones de baja energía interactúan muy fuertemente con la materia, "explicó el Dr. Masao Yamashita, el primer autor del estudio. "Son excelentes para obtener imágenes de muestras biológicas, compuesto de materiales ligeros como el carbono, oxígeno y nitrógeno, que son básicamente transparentes a los electrones de alta energía ".

Sin embargo, el uso de electrones de baja energía tiene un inconveniente importante:debido a su alta sensibilidad con la materia, un haz de electrones de baja energía interactuaría con la muestra objetivo, pero también con todo lo demás, como la placa de soporte y la película sobre la que se coloca la muestra. La imagen resultante no distinguiría el material de estudio del fondo.

Para contrarrestar este efecto, Los investigadores de la Unidad de Microscopía de Ondas Cuánticas se centraron en las propiedades únicas del grafeno. Sintetizaron una película hecha de una sola capa, un átomo de espesor, de grafeno en la que las muestras biológicas, como los virus que estudian, será mostrado.

El grafeno es extremadamente conductor, lo que significa que los electrones pueden cruzar la capa muy fácilmente. De esta manera, los electrones de baja energía interactuarán muy poco con la capa de grafeno de fondo y mucho más con la muestra de virus que se destacará con un gran contraste. Esta alta conductividad también evita la "carga", una acumulación de electrones en la película que distorsionaría la imagen final. La delgadez de la película también proporciona un fondo mucho más brillante, por lo tanto, un contraste mucho mejor con el material de estudio, que las películas de carbono convencionales.

"La película de grafeno nos permite lograr un gran contraste con electrones de muy baja energía, permitiendo realzar pequeños detalles ", agregó el Dr. Yamashita.

Sin embargo, una película de grafeno no es tan fácil de manejar. Es tan claro que debe estar impecable y libre de contaminantes, lo que llevó a los científicos de la OIST a desarrollar una técnica para limpiar meticulosamente la película de grafeno.

También existe un problema al cargar la muestra de virus en la película de grafeno. La película de grafeno es aceitosa, mientras que las preparaciones biológicas serían típicamente a base de agua. No se mezclarían muy bien:si solo agrega los virus a la película, los resultados son virus que se adhieren entre sí en lugares densos y dispersos, lo que hace imposible revelar detalles individuales.

Para resolver este segundo problema, Los investigadores de la OIST recurrieron al uso de la fuerza centrífuga para esparcir los virus por toda la superficie de la película. evitando que formen grumos. Los virus se cargan en un tubo con la película de grafeno en un extremo, mientras que el otro extremo está unido a un eje vertical que gira hasta 100, 000 rotaciones por minuto. La fuerza centrífuga empuja los virus hacia la película de grafeno y evita que se reagrupen. permitiendo ver detalles distintivos en cada muestra con el microscopio electrónico.

El resultado de todos estos esfuerzos son imágenes de mayor resolución de los caparazones de los virus, cuya forma y detalles morfológicos pueden proporcionar pistas sobre cómo combatirlos. Para demostrar su trabajo exitoso, Los investigadores de la OIST utilizaron el bacteriófago T4, un virus conocido que ataca a bacterias específicas. El uso de grafeno y un haz de electrones de bajo voltaje les permitió revelar detalles minúsculos como las extremidades fibrosas que el virus usa para engancharse a sus presas bacterianas. previamente invisible en una película de carbono convencional.

El Dr. Yamashita y su equipo ya están trabajando en el siguiente paso para aumentar aún más la calidad de las imágenes. Reconstruir imágenes y estudiar la morfología de varios tipos de especímenes en el futuro, la capacidad de comparar con seguridad imágenes microscópicas de materiales biológicos a una escala tan pequeña requiere una consistencia muy alta entre las muestras. Para lograr esta condición, los investigadores ahora están desarrollando una forma sólida de preparar los virus rociándolos sobre la película de grafeno en un vacío estéril. Los virus diminutos no podrán esconderse durante mucho más tiempo.