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Um grão de pólen mostrando a nanoespuma dentro ou uma diatomácea com as estruturas geométricas individuais claramente visíveis: Usando raios X de alta energia da fonte de luz síncrotron PETRA III no DESY, uma equipe liderada pelos cientistas do CFE Saša Bajt e Henry Chapman conseguiu imagine essas estruturas sem danificá-las. Sua nova técnica gera imagens de raios-X de alta resolução de material biológico seco que não foi congelado, revestido ou alterado de antemão – tudo com pouco ou nenhum dano à amostra. Esse método, que também é usado para escaneamento de bagagens em aeroportos, pode gerar imagens do material em resolução nanométrica. Usando raios-X de alta energia que são intensamente focados através de um conjunto de novas lentes difrativas, a técnica especial permite que a imagem seja realizada em menos de 1% do limite de dano de raios-X da amostra. Os resultados, que revelam este método como uma ferramenta promissora para fontes de luz mais brilhantes de próxima geração, como o projeto de atualização planejado PETRA IV, foram publicados na revista Luz: ciência e aplicações.
A luz de raios-X interage com o material biológico de várias maneiras, principalmente dependendo da energia e intensidade da luz. Ao mesmo tempo, os danos causados pela radiação, como pequenas alterações estruturais até a degradação completa da amostra, são o fator limitante durante a geração de imagens de raios-X de amostras biológicas. Em baixas energias, os raios X são absorvidos principalmente pelos átomos da amostra, cujos elétrons absorvem a energia, fazendo com que eles se soltem dos átomos e danifiquem a amostra. As imagens que usam esses raios X de baixa energia mapeiam a absorção da radiação pela amostra. Em energias mais altas, a absorção é menos provável e ocorre um processo chamado espalhamento elástico, onde os fótons de raios-X “rebatem” da matéria como bolas de bilhar sem depositar sua energia. Técnicas como a cristalografia ou a pichografia usam essa interação. No entanto, a absorção ainda pode ocorrer, o que significa que danos à amostra acontecem de qualquer maneira. Mas há uma terceira interação: espalhamento Compton, onde os raios X deixam apenas uma pequena quantidade de sua energia no material alvo. A dispersão de Compton foi amplamente ignorada como um método viável de microscopia de raios-X, uma vez que requer energias de raios-X ainda mais altas, onde até agora não existiam lentes de alta resolução adequadas.
“Usamos o espalhamento Compton e descobrimos que a quantidade de energia depositada em uma amostra por número de fótons que você pode detectar é menor do que usar esses outros métodos”, diz Chapman, cientista líder do DESY, professor da Universität Hamburg, e inventor de diferentes técnicas de raios X em síncrotrons e lasers de elétrons livres.
A vantagem da dose baixa na amostra representou um desafio para a confecção de lentes adequadas. Os raios X de alta energia passam por todos os materiais e dificilmente são refratados ou dobrados, conforme necessário para a focalização. Bajt, que é líder de grupo na CFEL, liderou esforços para desenvolver um novo tipo de lente refrativa, chamada de lentes multicamadas Laue. Essas novas ópticas compreendem mais de 7300 nanômetros de espessura alternada de carboneto de silício e carboneto de tungstênio que a equipe usou para construir um elemento óptico holográfico espesso o suficiente para focar com eficiência o feixe de raios-X.
Usando este sistema de lentes e a linha de luz PETRA III P07 no DESY, a equipe fotografou uma variedade de materiais biológicos detectando dados de dispersão Compton à medida que a amostra passava pelo feixe focalizado. Este modo de microscopia de varredura requer uma fonte muito brilhante – quanto mais brilhante, melhor – que é focada em um ponto que define a resolução da imagem. PETRA III é uma das instalações de radiação síncrotron em todo o mundo que é brilhante o suficiente em altas energias de raios-X para poder adquirir imagens desta forma em um tempo razoável. A técnica poderia atingir todo o seu potencial com a instalação PETRA IV planejada.
Para testar o método, a equipe usou uma cianobactéria, uma diatomácea e até mesmo um grão de pólen coletado diretamente fora do laboratório (“um espécime muito local”, Bajt ri) como amostras e alcançou uma resolução de 70 nanômetros para cada uma.
Além disso, quando comparada com imagens obtidas de uma amostra de pólen semelhante usando um método convencional de imagem de dispersão coerente a uma energia de 17 keV, a microscopia de raios-X Compton alcançou uma resolução semelhante com uma dose de raios-X 2.000 vezes menor. “Quando reexaminamos os espécimes usando um microscópio de luz após o experimento, não pudemos ver nenhum traço de onde o feixe entrou em contato com eles”, explica ela – o que significa que nenhum dano de radiação foi deixado para trás.
“Esses resultados podem ser ainda melhores”, diz Chapman. “Idealmente, um experimento como este usaria um detector esférico, porque os raios X que saem da amostra vão em todas as direções da amostra. Dessa forma, é um pouco como um experimento de colisão de física de partículas, onde você precisa coletar dados em todas as direções.”
Além disso, Chapman apontou que a imagem da cianobactéria é relativamente inexpressiva em comparação com as outras. No entanto, os dados indicam que em um brilho mais alto, como o da atualização planejada do PETRA IV, organelas individuais e até mesmo estruturas em três dimensões se tornariam visíveis – até uma resolução de 10 nm sem que danos fossem um problema. “Realmente, a única limitação dessa técnica não era a natureza da técnica em si, mas sim a fonte, ou seja, seu brilho”, diz Bajt.
Com uma fonte mais brilhante, o método poderia então ser usado para imagens de células ou tecidos inteiros não seccionados, complementando a microscopia crioeletrônica e a microscopia óptica de super-resolução, ou para rastrear nanopartículas dentro de uma célula, como para observar diretamente a administração de drogas. As características do espalhamento Compton tornam esse método ideal também para usos não biológicos, como examinar a mecânica de carga e descarga de baterias.
“Ainda não existe nada parecido com essa técnica na literatura”, diz Bajt, “portanto, há muito a explorar daqui para frente”.
O experimento envolveu pesquisadores do DESY, CFEL, do centro de excelência em imagem ultrarrápida de Hamburgo (CUI) da Universität Hamburg e da Universidade de Lund, na Suécia.
DESY é um dos principais centros aceleradores de partículas do mundo e investiga a estrutura e a função da matéria – desde a interação de minúsculas partículas elementares e o comportamento de novos nanomateriais e biomoléculas vitais até os grandes mistérios do universo. Os aceleradores e detectores de partículas que a DESY desenvolve e constrói em Hamburgo e Zeuthen são ferramentas de pesquisa únicas. Eles geram a radiação de raios X mais intensa do mundo, aceleram partículas para registrar energias e abrem novas janelas para o universo. A DESY é membro da Associação Helmholtz, a maior associação científica da Alemanha, e recebe financiamento do Ministério Federal Alemão de Educação e Pesquisa (BMBF) (90 por cento) e dos estados federais alemães de Hamburgo e Brandemburgo (10 por cento).
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