Usando um microsca³pio de luz comum, os engenheiros do MIT desenvolveram uma técnica para obter imagens de amostras biológicas com precisão na escala de 10 nana´metros - o que deve permitir a imagem de va­rus e potencialmente atémesmo de biomoléculas únicas, dizem os pesquisadores.

A nova técnica baseia-se na microscopia de expansão , uma abordagem que envolve incorporar amostras biológicas em um hidrogel e expandi-las antes de obter imagens com um microsca³pio. Para a última versão da técnica, os pesquisadores desenvolveram um novo tipo de hidrogel que mantanãm uma configuração mais uniforme, permitindo maior precisão na geração de imagens de pequenas estruturas .

Este grau de precisão pode abrir a porta para estudar as interações moleculares ba¡sicas que tornam a vida possí­vel, diz Edward Boyden, o Y. Eva Tan Professor em Neurotecnologia, um professor de engenharia biológica e cérebro e ciências cognitivas no MIT, e um membro do MIT Instituto McGovern para Pesquisa do Canãrebro e Instituto Koch para Pesquisa Integrativa do Ca¢ncer.

"Se vocêpudesse ver moléculas individuais e identificar de que tipo elas são, com precisão de nana´metro de um da­gito, então vocêpoderia realmente olhar para a estrutura da vida. E a estrutura, como um século de biologia moderna nos disse, governa função ", diz Boyden, que éo autor saªnior do novo estudo.

Os principais autores do artigo, que aparece hoje na Nature Nanotechnology, são Ruixuan Gao e Chih-Chieh "Jay" Yu Ph.D. do MIT Research Scientist. '20. Outros autores incluem Linyi Gao Ph.D. '20; o ex-pa³s-doutorado do MIT Kiryl Piatkevich; Rachael Neve, diretora do Gene Technology Core no Massachusetts General Hospital; James Munro, professor associado de microbiologia e sistemas fisiola³gicos da University of Massachusetts Medical School; e Srigokul Upadhyayula, ex-professor assistente de pediatria na Harvard Medical School e professor assistente residente em biologia celular e do desenvolvimento na Universidade da Califórnia em Berkeley.

Muitos laboratórios ao redor do mundo começam a usar a microscopia de expansão desde que o laboratório de Boyden a introduziu em 2015. Com essa técnica, os pesquisadores aumentam fisicamente suas amostras em cerca de quatro vezes em dimensão linear antes de obter imagens, permitindo-lhes gerar imagens de alta resolução sem equipamentos caros. O laboratório de Boyden também desenvolveu manãtodos para rotular protea­nas, RNA e outras moléculas em uma amostra para que possam ser visualizadas após a expansão.

"Centenas de grupos estãofazendo microscopia de expansão. Ha¡ claramente uma demanda reprimida por um manãtodo fa¡cil e barato de nanoimagem", diz Boyden. "Agora a questãoanã: atéque ponto podemos chegar? Podemos chegar a  precisão de uma única molanãcula? Porque, no final, vocêquer chegar a uma resolução que chegue aos blocos de construção fundamentais da vida."

Outras técnicas, como microscopia eletra´nica e imagem de super-resolução, oferecem alta resolução, mas o equipamento necessa¡rio écaro e não éamplamente acessa­vel. A microscopia de expansão, no entanto, permite imagens de alta resolução com um microsca³pio de luz comum.

Em um artigo de 2017, o laboratório de Boyden demonstrou resolução de cerca de 20 nana´metros, usando um processo no qual as amostras foram expandidas duas vezes antes da imagem. Essa abordagem, assim como as versaµes anteriores da microscopia de expansão, depende de um pola­mero absorvente feito de poliacrilato de sãodio, montado usando um manãtodo chamado sa­ntese de radical livre. Esses ganãis incham quando expostos a  a¡gua; no entanto, uma limitação desses ganãis éque eles não são completamente uniformes em estrutura ou densidade. Essa irregularidade leva a pequenas distorções na forma da amostra quando ela éexpandida, limitando a precisão que pode ser alcana§ada.

Para superar isso, os pesquisadores desenvolveram um novo gel chamado tetra-gel, que forma uma estrutura mais previsível. Ao combinar moléculas de PEG tetraanãdricas com poliacrilatos de sãodio tetraanãdricos, os pesquisadores foram capazes de criar uma estrutura semelhante a uma rede que émuito mais uniforme do que os hidrogeis de poliacrilato de sãodio sintetizados por radicais livres que eles usavam anteriormente.

Os pesquisadores demonstraram a precisão dessa abordagem usando-a para expandir aspartículas do va­rus herpes simplex tipo 1 (HSV-1), que tem uma forma esfanãrica distinta. Depois de expandir aspartículas de va­rus, os pesquisadores compararam as formas com as formas obtidas por microscopia eletra´nica e descobriram que a distorção era menor do que a observada nas versaµes anteriores da microscopia de expansão, permitindo-lhes atingir uma precisão de cerca de 10 nana´metros.

"Podemos observar como os arranjos dessas protea­nas mudam a  medida que são expandidos e avaliar o quanto pra³ximos estãoda forma esfanãrica. Foi assim que validamos e determinamos o quanto fielmente podemos preservar a nanoestrutura das formas e os arranjos espaciais relativos de essas moléculas ", diz Ruixuan Gao.

Os pesquisadores também usaram seu novo hidrogel para expandir células, incluindo células renais humanas e células cerebrais de camundongos. Eles agora estãotrabalhando em maneiras de melhorar a precisão a ponto de poderem criar imagens de moléculas individuais dentro de tais células. Uma limitação desse grau de precisão éo tamanho dos anticorpos usados ​​para marcar moléculas na canãlula, que tem cerca de 10 a 20 nana´metros de comprimento. Para criar imagens de moléculas individuais, os pesquisadores provavelmente precisariam criar ra³tulos menores ou adicionar os ra³tulos após a conclusão da expansão.

Eles também estãoexplorando se outros tipos de polímeros, ou versaµes modificadas do pola­mero tetra-gel, poderiam ajuda¡-los a obter uma maior precisão.

Se eles puderem atingir a precisão de moléculas individuais, muitas novas fronteiras podem ser exploradas, diz Boyden. Por exemplo, os cientistas poderiam vislumbrar como moléculas diferentes interagem umas com as outras, o que poderia lana§ar luz sobre as vias de sinalização celular, ativação da resposta imune, comunicação sina¡ptica, interações medicamentosas e muitos outros fena´menos biola³gicos.

"Adorara­amos olhar para as regiaµes de uma canãlula, como a sinapse entre dois neura´nios, ou outras moléculas envolvidas na sinalização canãlula-canãlula, e descobrir como todas as partes se comunicam", diz ele. "Como eles funcionam juntos e como erram nas doena§as?"