Los ingenieros eléctricos de UCSD han desarrollado una tecnología que mejora la resolución de un microscopio óptico ordinario para que pueda utilizarse para observar directamente las delicadas estructuras y detalles de las células vivas.

La tecnología transforma un microscopio óptico convencional en algo llamado microscopio ultrafino. Incluye un material especialmente diseñado que acorta la longitud de onda de la luz a medida que ilumina la muestra; esta luz disminuida es lo que esencialmente permite al microscopio obtener imágenes con una resolución más alta.

«Este material convierte la luz de baja resolución en luz de alta resolución», dijo Zhaowei Liu, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de California en San Diego. «Es muy simple y fácil de usar. Simplemente coloque una muestra en el material, luego coloque todo bajo un microscopio normal, sin necesidad de modificaciones imaginativas».

Material montado sobre platina de microscopio invertida. Crédito: Junxiang Zhao

Trabajo que fue publicado en Comunicaciones de la naturaleza, Supera las principales limitaciones de los microscopios ópticos convencionales: baja resolución. Los microscopios ópticos son útiles para obtener imágenes de células vivas, pero no se pueden usar para ver nada más pequeño. Los microscopios ópticos convencionales tienen un límite de resolución de 200 nanómetros, lo que significa que los objetos más cercanos a esta distancia no se observarán como objetos separados. Aunque existen herramientas más poderosas, como los microscopios electrónicos, que tienen una vista precisa de las estructuras subcelulares, no pueden usarse para obtener imágenes de células vivas porque las muestras deben colocarse en una cámara de vacío.

«El principal desafío es encontrar una tecnología única con una resolución muy alta que también sea segura para las células vivas», dijo Liu.

La tecnología desarrollada por el equipo de Liu combina ambas características. Con él, se puede utilizar un microscopio óptico convencional para obtener imágenes de estructuras subcelulares vivas con una resolución de hasta 40 nm.

Comparación de imágenes capturadas por microscopía óptica sin el metamaterial hiperbólico (columna izquierda) y con el metamaterial hiperbólico (columna derecha): dos perlas fluorescentes cercanas (fila superior), puntos cuánticos (fila central) y filamentos de actina en células Cos-7 ( fila inferior). Crédito: Nature Communications

La técnica consiste en un portaobjetos microscópico cubierto con un tipo de material absorbente de luz llamado metamaterial hiperboloide. Está hecho de capas alternas de plata y vidrio de sílice de nanómetros de espesor. A medida que pasa la luz, sus longitudes de onda se acortan y se dispersan para producir una serie de patrones moteados aleatorios de alta resolución. Cuando se adjunta una muestra a la diapositiva, esta serie de focos la ilumina de diversas formas. Esto crea una serie de imágenes de baja resolución, que se capturan y luego se unen mediante el algoritmo de reconstrucción para producir una imagen de alta resolución.

Los investigadores probaron su tecnología utilizando un microscopio invertido comercial. Pudieron obtener imágenes de características sutiles, como filamentos de actina, en células Cos-7 etiquetadas con fluorescencia, características que no se pueden distinguir claramente con el mismo microscopio. Esta técnica también permitió a los investigadores distinguir claramente entre pequeñas perlas fluorescentes y puntos cuánticos entre 40 y 80 nanómetros de distancia.

Los investigadores dijeron que la tecnología ultrafina tiene un gran potencial para el funcionamiento a alta velocidad. Su objetivo es integrar fototoxicidad de alta velocidad, ultra alta resolución y bajo grado en un único sistema de imágenes de células vivas.

El equipo de Liu ahora está expandiendo la tecnología para hacer imágenes de alta resolución en el espacio 3D. Este artículo actual demuestra que la tecnología puede producir imágenes de alta resolución en un plano 2D. El equipo de Liu publicó previamente un papel Resulta que esta técnica también es capaz de obtener imágenes con una resolución coaxial muy alta (aproximadamente 2 nm). Ahora están trabajando para unir los dos.

Referencia: «Nanoscopia de iluminación con la ayuda de materiales metalúrgicos a través de puntos aleatorios súper precisos» por Yeon Ui Lee, Junxiang Zhao, Qian Ma, Larousse Khosravi Khorashad, Clara Posner, Guangru Li, G. Bimananda M. Wisna, Zachary Burns, Jin Zhang, Zhaowei Liu, 10 de marzo de 2021 Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-021-21835-8

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Gordon & Betty Moore y los Institutos Nacionales de Salud (R35 CA197622). Este trabajo se llevó a cabo en parte en San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) en la Universidad de California, San Diego, que es miembro de la Infraestructura Nacional Coordinada de Nanotecnología, con el apoyo de la National Science Foundation (subvención ECCS-1542148).