La visualización de células biológicas bajo un microscopio se hizo más clara, gracias a la investigación realizada por el estudiante graduado Yifei Jiang y el investigador principal Jason McNeill del departamento de química de la Universidad de Clemson.

Con la ayuda de Rhonda Powell y Terri Bruce de la instalación de imágenes de luz de Clemson, el equipo pudo desarrollar un "interruptor" de nanopartículas que emite fluorescencia para agudizar la resolución de imágenes microscópicas que representan pequeñas estructuras celulares. Como se publicó recientemente en Nano letras , este cambio mejora un método de obtención de imágenes que ganó el Premio Nobel de Química en 2014.

Debido a que las estructuras celulares emiten luz en longitudes de onda inferiores a 400-700 nanómetros en el espectro electromagnético, a menudo aparecen borrosos a través de un microscopio óptico. Esta restricción se conoce como límite de difracción, y ocurre debido a las propiedades ondulatorias de la luz. A medida que la luz pasa alrededor de las estructuras dentro de las células biológicas, se difracta, o se dobla, hasta un punto que los microscopios ópticos no pueden resolver con claridad. El método de obtención de imágenes galardonado en 2014, la microscopía de localización de una sola molécula, se inventó para superar esta limitación.

"La microscopía de localización de una sola molécula se basa en 'fotointerruptores' moleculares:moléculas fluorescentes que se pueden activar y desactivar, como un interruptor de luz, para superar el límite de difracción, ", Dijo McNeill." Con este método de imágenes, se toman imágenes de la muestra de una molécula fluorescente a la vez y se usa una computadora para construir una imagen que es mucho más nítida que la que se podría obtener con un microscopio óptico normal ".

La captura, sin embargo, es que la fluorescencia proporcionada por los interruptores fotográficos es tenue en el mejor de los casos, con solo una ligera mejora en la resolución de la imagen. La microscopía de localización de una sola molécula también requiere un equipo especializado que puede ser costoso de obtener.

Indique el "buckyswitch":la versión mejorada de un photoswitch de los investigadores de Clemson. Este nuevo tipo de nanopartícula conserva la capacidad de encendido y apagado del interruptor fotográfico, pero es 10 veces más brillante y más fácil de usar. También permite que los microscopios capturen imágenes hasta el nivel del terapixel. (Eso es el equivalente a un billón de píxeles, o un millón de megapíxeles).

"Estas nanopartículas son los primeros interruptores fotográficos que logran una precisión de hasta aproximadamente 1 nanómetro, que mejora enormemente la resolución de imágenes de superresolución, "Dijo Jiang." Además, nuestro método solo requiere una fuente de luz de excitación, donde las técnicas de superresolución convencionales requieren dos láseres; por lo tanto, hemos simplificado la configuración del microscopio ".

Jiang armó el buckyswitch con un fluorescente, polímero semiconductor conjugado complejado con un derivado químico de buckminsterfullereno:una forma de carbono con forma de balón de fútbol.

"La parte difícil de hacer una nanopartícula fluorescente que se puede encender y apagar es que hay muchas áreas que emiten fluorescencia a la vez, "McNeill dijo." En el caso de polímero conjugado fluorescente, hay decenas o cientos de segmentos de cadena. Puede intentar hacer muchos pequeños cambios para cada segmento, pero es difícil que todos se apaguen al mismo tiempo. No se pueden sincronizar ".

Añadiendo el derivado de buckminsterfullereno, llamado PCBM, a la fabricación de buckyswitches, se forma un "interruptor maestro" que regula la carga atómica de los segmentos del polímero, sincronizando así la fluorescencia. PCBM es capaz de capturar electrones del segmento de polímero, dando al segmento una carga positiva general. Esta carga positiva reduce la fluorescencia de los segmentos cercanos, que tiene un efecto dominó que apaga la fluorescencia en toda la nanopartícula.

Bruce, cuyos antecedentes atraviesan los temas de la ingeniería química, biología aplicada, Biología Celular, y experiencia en la enseñanza y la industria:compara este método de imágenes con la vista de un puente colgante por la noche.

"Los cables del puente a menudo están iluminados, y cuando estés lejos del puente, las luces parecen una 'cuerda' continua de luz, en lugar de bombillas individuales. Sin embargo, si puede hacer que las bombillas parpadeen, de modo que solo las demás bombillas estén encendidas en cualquier momento, sus ojos pueden distinguir las bombillas individuales desde lejos, ", Dijo Bruce." La base de la microscopía de superresolución reside en la capacidad de hacer que las etiquetas fluorescentes 'parpadeen' al igual que las luces del puente. El trabajo que está haciendo el laboratorio del Dr. McNeill es vital para el avance de esta tecnología porque se enfoca en hacer que esos parpadeos individuales sean mucho más brillantes, para que nuestros detectores de fotones actuales puedan ver los parpadeos. Si podemos ver los parpadeos con una cámara u otro detector de fotones, podemos mapear dónde ocurre el parpadeo, y crear una imagen en la que podamos discernir dos puntos de luz que se encuentran entre 10 y 20 nanómetros entre sí ".

Una vez sintetizado el buckyswitch, Jiang lo probó en E. coli, pero no antes de desarrollar un medio de crecimiento único para las bacterias. Típicamente, E. coli se cultiva en medios autofluorescentes, lo que significa que emite luz de forma natural. Sin los medios adecuados, la fluorescencia del buckyswitch quedaría oscurecida por la luz de fondo, algo que Powell subrayó.

"Un estudio como el que realizó Yifei requirió muy poca fluorescencia de fondo, así que investigué los componentes de los medios que tendrían menos probabilidades de ser autofluorescentes y preparé una "receta" para un medios de nutrientes menos autofluorescentes para el cultivo de bacterias, "dijo Powell, quien estudió ciencias biológicas y microbiología en Clemson antes de convertirse en gerente del laboratorio de investigación de Clemson Light Imaging Facility. Powell y Bruce también trabajaron para proporcionar a Jiang la E. coli para el estudio.

Después de cuadrar todos los componentes necesarios, Jiang unió los buckyswitches de nanopartículas a la superficie de E. coli. Como se esperaba, los buckyswitches emitían pequeños destellos de luz, lo que permitió a los investigadores determinar sus posiciones precisas. Luego juntaron cada destello de luz para reconstruir la forma de la E. coli, produciendo una imagen de superresolución.

"Esperamos que este avance eventualmente pueda ayudar a los investigadores a abordar problemas difíciles en biología, conduciendo a avances en la comprensión y el tratamiento de las enfermedades, ", dijo el equipo de Clemson.

El equipo diseñó los buckyswitches para que funcionen con microscopios fluorescentes estándar y software gratuito que está disponible en línea. haciendo que la tecnología sea económica y accesible para los laboratorios de todo el mundo.

Su publicación, titulado "Imágenes de superresolución mejoradas utilizando ruido de telégrafo en nanopartículas de semiconductores orgánicos, "aparece en la edición del 14 de junio de Nano letras .