Sigue brillando: las nanopartículas en avalancha rompen las barreras para obtener imágenes de las células en tiempo real
A la izquierda: Imágenes experimentales PASSI (imágenes de superresolución de un solo haz de avalancha de fotones) de nanopartículas en avalancha dopadas con tulio separadas por 300 nanómetros. A la derecha: simulaciones PASSI del mismo material. Crédito: Laboratorio de Berkeley y Universidad de Columbia
Desde los primeros microscopios, los científicos han estado en la búsqueda de construir instrumentos con una resolución cada vez más fina para obtener imágenes de las proteínas de una célula, las diminutas máquinas que mantienen a las células y a nosotros en funcionamiento. Pero para tener éxito, deben superar el límite de difracción, una propiedad fundamental de la luz que durante mucho tiempo impidió que los microscopios ópticos enfocaran algo más pequeño que la mitad de la longitud de onda de la luz visible (alrededor de 200 nanómetros o milmillonésimas de metro), demasiado grande para explorar muchos de los mecanismos internos de una célula.
Durante más de un siglo, los científicos han experimentado con diferentes enfoques, desde cálculos intensivos hasta láseres y microscopios especiales, para resolver las características celulares a escalas cada vez más pequeñas. Y en 2014, los científicos recibieron el Premio Nobel de Química por su trabajo en microscopía óptica de superresolución, una técnica innovadora que supera el límite de difracción al aprovechar moléculas fluorescentes especiales, rayos láser de forma inusual o computación sofisticada para visualizar imágenes a nanoescala. .
Ahora, como se informa en un artículo de portada en la revista Nature, un equipo de investigadores codirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab) y la Escuela de Ingeniería de la Fundación Fu de la Universidad de Columbia and Applied Science (Columbia Engineering) ha desarrollado una nueva clase de material cristalino llamado nanopartículas de avalancha (ANP) que, cuando se usa como sonda microscópica, supera el límite de difracción sin cálculos pesados ni un microscopio de superresolución.
Los investigadores dicen que los ANP avanzarán en la obtención de imágenes biológicas en tiempo real y de alta resolución de los orgánulos y las proteínas de una célula, así como en el desarrollo de ultras sensores ópticos sensibles y computación neuromórfica que imita la estructura neuronal del cerebro humano, entre otras aplicaciones.
«Estas nanopartículas convierten cualquier simple microscopio confocal de barrido en un microscopio de superresolución en tiempo real, pero lo que hacen no es t exactamente superresolución. En realidad, hacen que el límite de difracción sea mucho más bajo», pero sin el proceso pesado de cálculo de las técnicas anteriores, dijo el coautor Bruce Cohen, científico del personal de la División de Fundición Molecular y Biofísica Molecular y Bioimagen Integrada de Berkeley Lab. La microscopía confocal de barrido es una técnica que produce una imagen ampliada de un espécimen, píxel por píxel, mediante el escaneo de un láser enfocado a través de una muestra.
Un descubrimiento sorpresa
Las nanopartículas de avalancha de fotones descritas en el estudio actual tienen aproximadamente 25 nanómetros de diámetro. El núcleo contiene un nanocristal dopado con el tulio metálico lantánido, que absorbe y emite luz. Una capa aislante asegura que la parte de la nanopartícula que absorbe y emite luz esté lejos de la superficie y no pierda su energía. a su entorno, haciéndolo más eficiente, explicó el coautor Emory Chan, científico del personal de Molecular Foundry de Berkeley Lab.
Una característica definitoria de la avalancha de fotones es i Su extrema no linealidad. Esto significa que cada vez que se duplica la intensidad del láser para excitar un material microscópico, se duplica con creces la intensidad de la luz emitida por el material. Para lograr la avalancha de fotones, cada duplicación de la intensidad del láser excitante aumenta la intensidad de la luz emitida en 30 000 veces.
Pero para deleite de los investigadores, los ANP descritos en el estudio actual cumplieron con cada duplicación de la intensidad del láser excitante. intensidad con un aumento de la luz emitida en casi 80 millones de veces. En el mundo de la microscopía óptica, ese es un grado deslumbrante de emisión no lineal. Y desde la publicación del estudio, «de hecho, ahora tenemos algunos mejores», agregó Cohen.
Los investigadores podrían no haber considerado el potencial del tulio para la avalancha de fotones si no fuera por el estudio de Chan en 2016, que calculó las propiedades de emisión de luz de cientos de combinaciones de dopantes de lantánidos cuando se estimulan con luz infrarroja cercana de 1.064 nanómetros. «Sorprendentemente, se predijo que las nanopartículas dopadas con tulio emitirían la mayor cantidad de luz, a pesar de que la sabiduría convencional decía que deberían estar completamente oscuras», señaló Chan.
Según los modelos de los investigadores, la única forma en que el tulio podría estar emitiendo luz a través de un proceso llamado bucle de energía, que es una reacción en cadena en la que un ion de tulio que ha absorbido la luz excita a los iones de tulio vecinos a un estado que les permite absorber y emitir mejor la luz.
Esos iones de tulio excitados, a su vez, hacen que otros iones de tulio vecinos sean más propensos a absorber la luz. Este proceso se repite en un ciclo de retroalimentación positiva hasta que una gran cantidad de iones de tulio absorben y emiten luz.
«Es como colocar un micrófono cerca de un altavoz: la retroalimentación causada por el altavoz que amplifica su propia señal explota en un sonido desagradablemente fuerte. En nuestro caso, estamos amplificando la cantidad de iones de tulio que pueden emitir luz de una manera altamente no lineal», explicó Chan. Cuando el bucle de energía es extremadamente eficiente, se denomina avalancha de fotones, ya que unos pocos fotones absorbidos pueden convertirse en cascada en la emisión de muchos fotones, agregó.
En el momento del estudio de 2016, Chan y sus colegas esperaban poder podría ver una avalancha de fotones experimentalmente, pero los investigadores no pudieron producir nanopartículas con suficiente no linealidad para cumplir con los estrictos criterios para la avalancha de fotones hasta el estudio actual.
Para producir nanopartículas con avalancha, los investigadores confiaron en Molecular El robot de fabricación de nanocristales de Foundry WANDA (Estación de trabajo para el descubrimiento y análisis automatizado de nanomateriales) para fabricar muchos lotes diferentes de nanocristales dopados con diferentes cantidades de tulio y recubiertos con capas aislantes. «Una de las formas en que pudimos lograr un rendimiento de avalancha de fotones tan bueno con nuestras nanopartículas de tulio fue cubriéndolas con caparazones muy gruesos a escala nanométrica», dijo Chan, quien co-desarrolló WANDA en 2010.
Cultivar las conchas es un proceso exigente que puede llevar hasta 12 horas, explicó. Automatizar el proceso con WANDA permitió a los investigadores realizar otras tareas mientras aseguraban una uniformidad de grosor y composición entre las capas, y afinaban la respuesta del material a la luz y la potencia de resolución.
Aprovechar una avalancha en el nanoescala
Los experimentos de microscopía confocal de barrido dirigidos por el coautor P. James Schuck, profesor asociado de ingeniería mecánica en Columbia Engineering y científico principal en Molecular Foundry de Berkeley Lab, demostraron que las nanopartículas dopadas con concentraciones moderadamente altas de tulio mostró respuestas no lineales mayores de lo esperado para la avalancha de fotones, lo que convierte a estas nanopartículas en uno de los nanomateriales más no lineales que se sabe que existen.
Changhwan Lee, un estudiante graduado en el laboratorio de Schuck, realizó una batería de mediciones y cálculos ópticos para confirmar que las nanopartículas cumplían con los estrictos criterios para la avalancha de fotones. Este trabajo es la primera vez que se cumplen todos los criterios para la avalancha de fotones en una sola partícula de tamaño nanométrico.
La extrema no linealidad de las nanopartículas en avalancha permitió a Schuck y Lee excitar e imaginar nanopartículas individuales espaciadas más cerca de 70 nanómetros de distancia. En la microscopía de luz «lineal» convencional, muchas nanopartículas son excitadas por el rayo láser, que tiene un diámetro de más de 500 nanómetros, lo que hace que las nanopartículas parezcan un gran punto de luz.
La técnica de los autores llamada fotón Imágenes de superresolución de haz único de avalancha (PASSI): aprovecha el hecho de que un punto de haz láser enfocado es más intenso en su centro que en sus bordes, dijo Chan. Dado que la emisión de ANP aumenta abruptamente con la intensidad del láser, solo las partículas en el centro de 70 nanómetros del rayo láser emiten cantidades apreciables de luz, lo que conduce a la exquisita resolución de PASSI.
El estudio actual, dicen los investigadores, abre de inmediato nuevas aplicaciones en la detección ultrasensible de fotones infrarrojos y la conversión de luz infrarroja cercana en energías más altas para imágenes de súper resolución con microscopios ópticos confocales de barrido disponibles comercialmente, y resolución mejorada en súper resolución de última generación. microscopios ópticos.
«Eso es increíble. Por lo general, en la ciencia óptica, tienes que usar una luz muy intensa para obtener un gran efecto no lineal y eso no es bueno para la bioimagen porque estás cocinando tus células con ese poder de la luz, «, dijo Schuck, quien ha continuado su investigación colaborativa en Molecular Foundry como usuario. «Pero con estas nanopartículas dopadas con tulio, hemos demostrado que no requieren tanta intensidad de entrada para obtener una resolución de menos de 70 nanómetros. Normalmente, con un microscopio confocal de barrido, obtendría 300 nanómetros. Eso es un una mejora bastante buena, y la tomaremos, especialmente porque obtienes imágenes de súper resolución esencialmente gratis».
Ahora que han reducido con éxito el límite de difracción con sus nanopartículas de avalancha de fotones, los investigadores le gustaría experimentar con nuevas formulaciones del material para obtener imágenes de sistemas vivos o detectar cambios de temperatura en el orgánulo de una célula y el complejo proteico.
«Observar fenómenos tan altamente no lineales en nanopartículas es emocionante porque se cree que los procesos no lineales modelar estructuras como rayas en animales y producir un comportamiento periódico similar al de un reloj», anotó Chan. «Los procesos no lineales a nanoescala podrían usarse para hacer pequeños convertidores de analógico a digital, que pueden ser útiles para chips de computadora basados en luz, o podrían usarse para concentrar luz tenue y uniforme en pulsos concentrados».
«Estos son materiales tan inusuales y son completamente nuevos. Esperamos que la gente quiera probarlos con diferentes microscopios y diferentes muestras, porque lo bueno de los descubrimientos de la ciencia básica es que puedes tomar un resultado inesperado y ver tu colegas corren con él en nuevas y emocionantes direcciones», dijo Cohen.
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Ingenieros observan avalanchas en nanopartículas por primera vez Más información: Respuestas ópticas no lineales gigantes de nanopartículas con avalancha de fotones, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-020-03092-9 , www.nature.com/articles/s41586-020-03092-9 Información de la revista: Nature
Proporcionada por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Cita: Shine on: Las nanopartículas en avalancha rompen las barreras para obtener imágenes de las células en tiempo real (13 de enero de 2021) consultado el 30 de agosto de 2022 en https://medicalxpress.com/news/2021-01-avalanching-nanoparticles-barriers -imaging-cells.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.