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Microscopia a fluorescenza ad alta risoluzione

17.10.2014

Per visualizzare la cellula e il suo contenuto, dobbiamo prendere un microscopio. Il suo principio di funzionamento è relativamente semplice: i raggi luminosi passano attraverso un oggetto e quindi entrano in lenti di ingrandimento, in modo da poter vedere sia la cellula che alcuni degli organelli al suo interno, come il nucleo o i mitocondri.

Ma se vogliamo vedere una proteina o una molecola di DNA, o guardare un grande complesso supramolecolare come un ribosoma, o una particella virale, allora un normale microscopio ottico sarà inutile. Già nel 1873 il fisico tedesco Ernst Abbe dedusse una formula che pone un limite alle capacità di qualsiasi microscopio ottico: si scopre che è impossibile vedere un oggetto più piccolo della metà della lunghezza d'onda della luce visibile, cioè inferiore a 0,2 micrometri.

La soluzione, ovviamente, è scegliere qualcosa che possa sostituire la luce visibile. Puoi usare un raggio di elettroni e poi otteniamo un microscopio elettronico: puoi osservare virus e molecole proteiche al suo interno, ma gli oggetti osservati durante la microscopia elettronica cadono in condizioni completamente innaturali. Pertanto, l'idea di Stefan W. Hell dell'Istituto di chimica biofisica della Max Planck Society (Germania) si è rivelata un enorme successo.

L'essenza dell'idea era che un oggetto potesse essere irradiato con un raggio laser, che avrebbe messo le molecole biologiche in uno stato eccitato. Da questo stato, inizieranno a passare allo stato normale, liberandosi dall'energia in eccesso sotto forma di radiazione luminosa, ovvero inizierà la fluorescenza e le molecole diventeranno visibili. Ma le onde emesse saranno di lunghezze molto diverse e avremo un punto indefinito davanti ai nostri occhi. Per evitare che ciò accada, insieme al laser di eccitazione, l'oggetto viene trattato con un raggio di spegnimento, che sopprime tutte le onde tranne quelle che hanno una lunghezza nanometrica. Le radiazioni con una lunghezza d'onda dell'ordine dei nanometri consentono semplicemente di distinguere una molecola da un'altra.

Il metodo si chiamava STED (stimulated emission depletion), ed è per questo che Stefan Hell ricevette la sua parte del Premio Nobel. Con la microscopia STED, l'oggetto non è completamente coperto dall'eccitazione laser in una volta, ma è, per così dire, disegnato da due sottili fasci di raggi (eccitatore e quencher), perché più piccola è l'area che emette fluorescenza in un dato momento, maggiore è la risoluzione dell'immagine.

Il metodo STED è stato successivamente integrato dalla cosiddetta microscopia a molecola singola, sviluppata in modo indipendente alla fine del XX secolo da altri due attuali vincitori, Eric Betzig dell'Howard Hughes Institute e William E. Moerner di Stanford. Nella maggior parte dei metodi fisico-chimici che si basano sulla fluorescenza, osserviamo la radiazione totale di molte molecole contemporaneamente. William Merner ha appena proposto un metodo con cui si può osservare la radiazione di una singola molecola. Durante la sperimentazione con la proteina fluorescente verde (GFP), ha notato che il bagliore delle sue molecole può essere attivato e disattivato arbitrariamente manipolando la lunghezza d'onda di eccitazione. Attivando e disattivando la fluorescenza di diverse molecole GFP, potrebbero essere osservate al microscopio ottico, ignorando la limitazione del nanometro di Abbe. L'intera immagine potrebbe essere ottenuta semplicemente combinando più immagini con diverse molecole luminose nel campo visivo. Questi dati sono stati integrati dalle idee di Eric Betzig, che ha proposto di aumentare la risoluzione della microscopia a fluorescenza utilizzando proteine con diverse proprietà ottiche (cioè, grosso modo, multicolori).

La combinazione del metodo di spegnimento dell'eccitazione dell'inferno con il metodo di imposizione della somma di Betzig-Merner ha reso possibile lo sviluppo della microscopia a risoluzione nanometrica. Con il suo aiuto, possiamo osservare non solo gli organelli e i loro frammenti, ma anche le interazioni delle molecole tra loro (se le molecole sono etichettate con proteine fluorescenti), cosa che, ripetiamo, è tutt'altro che sempre possibile con i metodi di microscopia elettronica. Il valore del metodo difficilmente può essere sopravvalutato, perché i contatti intermolecolari sono ciò su cui si regge la biologia molecolare e senza i quali non è possibile, ad esempio, né la creazione di nuovi farmaci, né la decodifica dei meccanismi genetici, né tante altre cose che stanno in nel campo della scienza e della tecnologia moderne.

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Macchina per diradare i fiori nei giardini 02.05.2024

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Microscopio infrarosso avanzato 02.05.2024

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Trappola d'aria per insetti 01.05.2024

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La minaccia dei detriti spaziali al campo magnetico terrestre 01.05.2024

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Solidificazione di sostanze sfuse 30.04.2024

Ci sono parecchi misteri nel mondo della scienza e uno di questi è lo strano comportamento dei materiali sfusi. Possono comportarsi come solidi ma improvvisamente trasformarsi in un liquido fluido. Questo fenomeno ha attirato l'attenzione di molti ricercatori e forse ci stiamo finalmente avvicinando alla soluzione di questo mistero. Immagina la sabbia in una clessidra. Di solito scorre liberamente, ma in alcuni casi le sue particelle iniziano a rimanere bloccate, trasformandosi da liquido a solido. Questa transizione ha importanti implicazioni per molti settori, dalla produzione di farmaci all’edilizia. Ricercatori statunitensi hanno tentato di descrivere questo fenomeno e di avvicinarsi alla sua comprensione. Nello studio, gli scienziati hanno condotto simulazioni in laboratorio utilizzando i dati provenienti da sacchetti di perle di polistirolo. Hanno scoperto che le vibrazioni all’interno di questi insiemi avevano frequenze specifiche, il che significa che solo alcuni tipi di vibrazioni potevano viaggiare attraverso il materiale. Ricevuto ... >>

Notizie casuali dall'Archivio

Fujifilm e Panasonic sviluppano un sensore di immagine organico 22.06.2013

Fujifilm e Panasonic hanno annunciato uno sviluppo congiunto nel campo dei sensori di immagine. La tecnologia dei sensori organici di tipo CMOS che hanno creato si basa sull'uso di uno strato organico in cui avviene la conversione fotoelettrica. Secondo gli sviluppatori, la parte del sensore che riceve la luce dimostra prestazioni superiori a quelle dei "sensori di immagine convenzionali".

L'uso della nuova tecnologia nei sensori per fotocamere digitali e dispositivi simili aumenterà la loro gamma dinamica e aumenterà la sensibilità alla luce, che, a sua volta, impedirà la perdita di elementi luminosi del fotogramma e fornirà colori ricchi e trame pronunciate quando si riprendono oggetti scuri. I partner stimano la gamma dinamica del sensore a 88 dB e si dice che la sua sensibilità alla luce sia 1,2 volte maggiore della sensibilità alla luce dei sensori convenzionali.

Il contributo allo sviluppo di Fujifilm è la tecnologia degli strati fotovoltaici organici. Il contributo di Panasonic è la tecnologia di produzione dei semiconduttori.

I partner prevedono di utilizzare lo sviluppo nei loro prodotti, comprese le telecamere di sicurezza, le telecamere di bordo dei veicoli, i dispositivi mobili e le fotocamere digitali.

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