_ Oamenii de știință dezvăluie un bricolaj microscop cu iluminare structurată

Timp de sute de ani, microscopul optic a fost singurul instrument disponibil pentru oamenii de știință care doreau să studieze mișcarea celulelor, bacteriilor și drojdiilor. Dar difracția luminii a făcut imposibilă observarea obiectelor la rezoluții mai mici de 100 nm, deoarece imaginile rezultate erau prea neclare pentru a fi de vreun folos.

Această limită fizică – cunoscută sub numele de barieră de difracție – a fost în cele din urmă depășit acum aproximativ 15 ani odată cu dezvoltarea microscopiei de super-rezoluție, permițând oamenilor de știință să cerceteze adânc în interiorul specimenelor vii, să studieze comportamentul organelelor și să observe modul în care celulele interacționează cu virușii, proteinele și moleculele de medicamente.

Unul. dintre aceste noi metode, cunoscute sub numele de microscopie cu iluminare structurată (SIM), este foarte apreciată de cercetători, deoarece produce imagini de înaltă rezoluție și contrast ridicat cu expunere redusă la fotoni.

În ciuda apariției electronului cu rezoluție nanometrică. microscoape, imagistica optică continuă să joace un rol cheie în cercetarea științelor vieții: oferă o flexibilitate mai mare în ceea ce privește echipamentele și permite oamenilor de știință să observe mostre vii în condiții normale de dezvoltare. Cu toate acestea, costurile și constrângerile de disponibilitate înseamnă că imagistica SIM rămâne la îndemâna multora.

Pentru a ocoli această problemă, oamenii de știință de la Laboratorul de Bio și Nano-Instrumentare (LBNI) al EPFL din cadrul Institutului Interuniversitar de Bioinginerie (IBI) de la Școala de Inginerie (STI) a EPFL, au dezvoltat o modalitate de a transforma un microscop optic standard într-un dispozitiv de înaltă rezoluție folosind componente ieftine, disponibile comercial.

Echipa a publicat un mod detaliat despre cum- pentru a ghida în format cu acces deschis, împreună cu o serie de tutoriale video, precum și un articol din revista Nature Communications.

SIM depășește bariera de difracție reconstruind zonele de frecvențe spațiale înalte care apar în mod normal este încețoșată când este privită printr-un microscop optic convențional. Această metodă oferă o creștere de două ori a rezoluției, permițând oamenilor de știință să observe detalii de până la 100 nm.

SIM funcționează prin proiectarea unui model de iluminare standard, cum ar fi o grilă, pe o probă. Imaginile, capturate cu diferite modele de iluminare, sunt apoi procesate de un algoritm pentru a produce o reconstrucție cu rezoluție mai mare, valorificând efectul moiré.

În 2019, Ph.D. studenta Mélanie Hannebelle avea nevoie de un microscop cu exact această capacitate pentru cercetarea ei. Atunci i-a venit ideea de a construi singură unul pentru LBNI. Alte laboratoare făcuseră deja dispozitive similare, dar acestea erau complexe, greoaie și greu de reprodus. Hannebelle a vrut să proiecteze o alternativă mai compactă, pe care ne-experții să o poată construi și să o folosească și care să nu necesite întreținere și întreținere costisitoare.

„Am obținut componente electronice de tipul celor folosite pentru a face proiectoarele video pe care le vedeți. în sălile de clasă”, spune Georg Fantner, profesor la LBNI. „Le-am modificat și aranjat, astfel încât să fie capabili să proiecteze un model de lumină pe un eșantion.”

Testat și aprobat de cercetătorii din știința vieții

Echipa LBNI a vrut să afle dacă noul lor microscop era o alternativă viabilă și practicabilă. Așa că au cerut altor laboratoare să-l testeze. Ei au făcut echipă cu grupurile de Prof. Andrew Oates, Prof. Matthias Lutolf, Prof. John McKinney și Prof. Aleksandra Radenovic pentru a testa instrumentul pe mostre de cercetare din lumea reală. „Colegii noștri ne-au pus întrebări, ne-au spus despre nevoile lor și ne-au împărtășit mostrele”, spune prof. Fantner. „Am fost dornici să aflăm dacă și cum instrumentul nostru i-ar putea ajuta în cercetarea lor”.

Feedback-ul a fost copleșitor de pozitiv, iar echipa a obținut un grant EPFL Open Science pentru a-și putea împărtăși instrumentul în format open-hardware. Transformarea dispozitivului în ceva ce ar putea reproduce alte laboratoare, cu instrucțiuni suficient de detaliate încât colegii să nu renunțe la jumătatea procesului, s-a dovedit a fi un proces minuțios și consumator de timp.

Esther Raeth, o altă persoană. Ph.D. student în laborator, a pregătit instrucțiuni detaliate, liste de echipamente și tutoriale video pentru publicare online. „Singura condiție prealabilă pentru sistemul nostru este un microscop optic de înaltă calitate – ceva ce au deja majoritatea laboratoarelor”, explică prof. Fantner.

OpenSIM nu își propune să concureze cu instrumente mai sofisticate. De exemplu, abordarea are un contrast de modulație mai mic decât echivalentele disponibile comercial, ceea ce limitează câștigul de rezoluție la un factor de 1,7x comparativ cu 2x teoretic. Dar își servește scopul propus: să pună tehnologia SIM disponibilă laboratoarelor care au nevoie de ea doar ocazional sau care pur și simplu nu își permit să cheltuiască 500.000 CHF sau mai mult pe un model de calitate comercială.

Echipa LBNI este continuând eforturile de a-și aduce activitatea unui grup mai larg de oameni de știință și de a construi o comunitate de utilizatori care să-și împărtășească experiențele. „De când lucrarea a fost distribuită pe BioRxiv.org, am fost contactat de mai multe persoane care sunt interesate de idee și doresc să afle mai multe despre cum să-și construiască propriul OpenSIM”, spune prof. Fantner.

(Fluierul)