Minuscoli laser nelle cellule potrebbero funzionare come sensori autonomi
Pur rimanendo il parametro di riferimento per lo studio cellulare, le sonde fluorescenti presentano diverse limitazioni. Il loro spettro di emissione relativamente ampio, infatti, rende difficile distinguere le singole sonde quando molte di esse lavorano contemporaneamente (multiplazione). Inoltre, alcune loro caratteristiche ne rendono difficile la calibrazione: la tendenza al photobleaching, la fototossicità per le cellule e la sensibilità a fattori ambientali come i livelli di pH o le temperature. Il progetto Cell-Lasers, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra), ha sperimentato alcuni metodi per rilevare le emissioni laser stimolate da nuovi «micro-laser» inseriti all’interno di cellule e tessuti. «La larghezza di linea di emissione estremamente ridotta, l’elevata coerenza e l’intensità di questi laser consentono di seguire centinaia di cellule contemporaneamente. Inoltre, poiché le linee laser si muovono con precisione in base a minuscoli cambiamenti nelle immediate vicinanze del laser, possono funzionare come sensori di forza e chimici ultrasensibili», spiega il coordinatore del progetto Matjaž Humar del Jožef Stefan Institute(si apre in una nuova finestra), che ha ospitato il progetto. L’équipe aveva già dimostrato, per la prima volta, che un laser poteva essere inserito in una cellula. Cell-Lasers ha dimostrato come questi laser possano essere effettivamente utilizzati per studiare i processi biologici, lavoro che è valso a Humar il premio Zois per i traguardi d’eccellenza(si apre in una nuova finestra) in Slovenia.
Laser a perline, a bolle e commestibili
I laser sono essenzialmente il prodotto dell’amplificazione della luce all’interno di un mezzo. Per indurre questo effetto, chiamato “lasing”(si apre in una nuova finestra), Cell-Lasers ha introdotto un materiale fluorescente all’interno di una cavità microscopica (il supporto) che, quando viene eccitata da una sorgente luminosa esterna, amplifica la luce in un preciso segnale ottico. Per integrare questi micro-laser nelle cellule e nei tessuti viventi in coltura, il team ha sperimentato una serie di supporti laser che vanno dalle perle solide alle gocce d’olio morbide, provando anche bolle di sapone e persino sostanze commestibili. A seconda del terreno di coltura in esame, sono stati assorbiti naturalmente dalle cellule o iniettati con una minuscola pipetta. L’analisi degli spostamenti spettrali della luce emessa ha permesso di misurare le forze cellulari e la dinamica delle gocce lipidiche. Il gruppo ha anche sviluppato un mezzo per tracciare le cellule in profondità all’interno dei tessuti utilizzando l’immaginografia a localizzazione spettrale diffusa, ampliando la gamma oltre la microscopia standard. Sono stati condotti numerosi esperimenti, tra cui l’iniezione di microgocce di olio in idrogel, tessuto cerebrale e cellule adipose per convalidarne l’uso come sensori di forza. Le simulazioni al computer hanno poi aiutato a correlare gli spostamenti spettrali con i cambiamenti specifici delle gocce, garantendo l’efficacia del mezzo laser. «Abbiamo monitorato i cambiamenti nelle dimensioni delle gocce lipidiche delle cellule adipose con una precisione nanometrica, rivelando dinamiche metaboliche precedentemente invisibili alla microscopia standard.» Abbiamo anche misurato le deformazioni delle gocce con una precisione di un nanometro, rilevando forze cellulari di poche unità (piconewton)», spiega Humar.
Nuove direzioni di ricerca in materia di salute e sicurezza alimentare
I sensori intracellulari dei Cell-Lasers offrono nuovi modi per studiare malattie come il cancro e il diabete a livello della singola cellula, e potrebbero condurre allo sviluppo di dispositivi diagnostici migliori come i «tatuaggi intelligenti» per il monitoraggio del glucosio. In una direzione di ricerca inaspettata, il «laser commestibile»(si apre in una nuova finestra) del progetto potrebbe essere usato per etichettare prodotti preziosi come l’olio d’oliva o i farmaci. Tali etichette, realizzate con materiali come la gelatina e la clorofilla, che si illuminano e amplificano la luce del laser, potrebbero essere integrate nei prodotti alimentari e scansionate dai consumatori per verificare la loro freschezza. I ricercatori stanno anche pensando di fondare una start-up per commercializzare i sensori del progetto. Nel frattempo, la ricerca scientifica sta passando dalle colture cellulari alle cellule dei pazienti, per studiare meglio le malattie. Inoltre, durante la ricerca di nuovi modi per etichettare le cellule, sono state utilizzate per la prima volta sorgenti quantistiche a singolo fotone come codici a barre all’interno delle cellule. È nata così la prima dimostrazione della generazione di fotoni entangled in materiali organici, che apre nuove strade nell’ottica quantistica, oggi indagate nell’ambito del nuovo progetto SoftQuanta.