Una nuova microscopia pionieristica basata su microsistemi criogenici
I moderni microscopi sono in grado di rendere visibili le complesse strutture tridimensionali delle cellule e persino delle molecole con una chiarezza e un dettaglio sorprendenti. Seguire le dinamiche in tempo reale, tuttavia, è spesso impossibile quando le cose cambiano o si muovono rapidamente. «Inoltre, alcuni metodi, come la microscopia elettronica, funzionano solo nel vuoto», spiega il ricercatore del progetto MICROCRYO(si apre in una nuova finestra) Thomas Burg della Università Tecnica di Darmstadt(si apre in una nuova finestra) in Germania. «Questo significa che possono essere utilizzati solo dopo che i campioni sono stati fissati, rendendo difficile lo studio di sequenze complesse di eventi». Una soluzione a questo problema è la surgelazione rapida dell’oggetto. A tal fine, è necessario evitare che l’acqua all’interno delle cellule formi cristalli di ghiaccio al momento del raffreddamento, per non danneggiare strutture delicate. «I metodi esistenti per ottenere questo risultato presentano tutti notevoli carenze», continua l’autore. «Una volta che le cellule sono state surgelate, o vetrificate, un altro compito impegnativo è quello di adattare diversi microscopi avanzati in modo che siano compatibili con un oggetto freddo quasi -200 °C senza compromettere le prestazioni».
Piattaforma di microscopia basata sulla microfluidica
Il progetto MICROCRYO, sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra), ha cercato di affrontare queste sfide. L’obiettivo è stato quello di sviluppare una nuova piattaforma tecnologica basata sulla microfluidica (manipolazione e controllo dei fluidi su microscala), per preparare e ottenere immagini di cellule congelate ultra-rapidamente e piccoli microrganismi a temperature criogeniche. Ciò consentirebbe di effettuare esperimenti completamente nuovi per osservare con dettaglio molecolare, ad esempio, come si attivano le cellule immunitarie, come si possono somministrare più efficacemente i farmaci o come le cellule del sangue diventano meno flessibili in alcune malattie. «L’innovazione chiave di questo progetto è stata la creazione di microambienti sub-millimetrici, in cui le temperature potevano essere controllate rapidamente e con precisione da condizioni criogeniche a temperatura ambiente», spiega il ricercatore. «Ciò è stato possibile grazie alla tecnologia dei microsistemi, la stessa utilizzata per costruire molti tipi di sensori che si trovano ampiamente nei prodotti di consumo (ad esempio, quasi tutti i telefoni cellulari, le automobili, ecc.)».
Vantaggi della microscopia ottica ed elettronica
Burg e il suo team sono riusciti a schermare il campione e a mantenere una forte differenza di temperatura tra l’oggetto e l’ambiente circostante, richiedendo al contempo una potenza di riscaldamento e raffreddamento molto bassa. La microscopia ottica ed elettronica avanzata è stata utilizzata per analizzare i campioni ad alta risoluzione prima, durante e dopo il congelamento ultrarapido. Il team del progetto è riuscito a creare una piattaforma che consente di migliorare, e in alcuni casi di creare, flussi di lavoro completamente nuovi per studiare sistemi biologici e non biologici su scala micrometrica e nanometrica, con tecniche di microscopia diverse e normalmente incompatibili. «Una sfida di lunga data che questo progetto ha superato è quella di consentire modalità avanzate di microscopia ottica, come la STED, in immersione a temperatura criogenica», spiega. «Inoltre, questa tecnologia può essere integrata in flussi di lavoro combinati di microscopia ottica ed elettronica. Ciò consente di sfruttare i vantaggi della microscopia ottica e di quella elettronica, fornendo informazioni complementari sugli oggetti».
Strumento per lo studio di oggetti complessi e dinamici
La nuova piattaforma tecnologica aiuterà i ricercatori nelle loro ricerche in molti campi. La microscopia a temperatura criogenica è uno strumento potente per lo studio di materiali complessi, dinamici e sensibili utilizzati nella biologia sintetica, nella farmacologia e persino nelle nuove tecnologie avanzate delle batterie. «Ci aspettiamo che la nuova piattaforma contribuisca a rivelare i dettagli di questi materiali, la loro struttura naturale e i meccanismi o i difetti delle malattie, e come prevenirli, migliorando la conservazione e l’imaging ad alta fedeltà a temperatura criogenica», aggiunge.
