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Pesquisadores do Instituto Beckman para Ciência e Tecnologia Avançada desenvolveram um novo método para “ver” a estrutura fina e a composição química de uma célula humana com clareza e precisão inigualáveis.
É por isso que Jaws nadou fora de vista por mais de uma hora e sugere o glamour do embrulho de presente. Em cinemas, salas de estar e até mesmo em laboratórios, podemos contar com a emoção do invisível para nos manter na dúvida. Mas quando se trata do mundo químico oculto das células, os cientistas não precisam mais se perguntar.
Inspirados por essa mesma emoção, os pesquisadores do Beckman Institute for Advanced Science and Technology desenvolveram uma forma inovadora de “ver” a estrutura fina e a composição química de uma célula humana com clareza e precisão incomparáveis. Sua técnica, que apareceu em PNAS no início desta semana, adota uma abordagem criativa – e contra-intuitiva – para a detecção de sinais.
“A biologia é uma das ciências mais emocionantes do nosso tempo porque sempre houve uma divisão entre o que podemos ver e o que não podemos ver”, disse Rohit Bhargava, professor de bioengenharia da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, que liderou o estudo estudar.
Como as menores unidades funcionais de nossos corpos, as células há muito chamam a atenção de pesquisadores interessados em determinar de que são feitas e onde reside cada elemento. Juntos, o “o quê” e o “onde” formam um modelo celular para todos os fins que pode ser usado para estudar biologia, química, materiais e muito mais.
Antes deste estudo, obter uma cópia de alta resolução desse projeto era algo impossível.
“Agora, podemos ver o interior das células com uma resolução muito mais precisa e com detalhes químicos significativos com mais facilidade do que nunca”, disse Bhargava. “Este trabalho abre uma gama de possibilidades, incluindo uma nova maneira de examinar os aspectos químicos e físicos combinados que governam o desenvolvimento humano e as doenças”.
O trabalho dos pesquisadores se baseia em avanços anteriores no campo da imagem química.
Enquanto a microscopia óptica usa luz visível para iluminar características de nível de superfície, como cor e estrutura, a imagem química usa luz infravermelha invisível para revelar o funcionamento interno de uma amostra.
Quando uma célula é exposta à luz infravermelha, sua temperatura aumenta e ela se expande. Sabemos pelos óculos de visão noturna que não há dois objetos que absorvam os comprimentos de onda do infravermelho exatamente da mesma maneira; comparar um poodle a um banco de parque é evidência suficiente de que objetos mais quentes emitem assinaturas de infravermelho mais fortes do que os mais frios. O mesmo acontece dentro de uma célula, onde cada tipo de molécula absorve a luz infravermelha em um comprimento de onda sutilmente diferente e emite uma assinatura química única. Examinar os padrões de absorção – um método chamado espectroscopia – permite que os pesquisadores identifiquem o paradeiro de cada um.
Ao contrário dos óculos de visão noturna, os pesquisadores não analisam os padrões de absorção como um espectro de cores. Em vez disso, eles interpretam as ondas infravermelhas com um detector de sinal: um minúsculo feixe preso ao microscópio em uma extremidade, com uma ponta fina que raspa a superfície da célula como a agulha em nanoescala de um toca-discos.
As inovações em espectroscopia na última década se concentraram no aumento constante da força dos comprimentos de onda iniciais do infravermelho.
“É uma abordagem intuitiva porque estamos condicionados a pensar em sinais maiores como sendo melhores. Pensamos: ‘Quanto mais forte o sinal IR, mais alta se torna a temperatura de uma célula, mais ela se expande e mais fácil será ver’ “Bhargava disse.
Um revés considerável está oculto nessa abordagem. À medida que a célula se expande, o movimento do detector de sinal torna-se mais exagerado e gera “ruído”: a chamada estática que impede medições químicas precisas.
“É como aumentar o dial de uma estação de rádio com estática – a música fica mais alta, mas a estática também”, disse Seth Kenkel, pesquisador de pós-doutorado no laboratório do professor Bhargava e principal autor do estudo.
Em outras palavras, não importa o quão poderoso o sinal de infravermelho se tornasse, a qualidade da imagem química não poderia avançar.
“Precisávamos de uma solução para impedir que o ruído aumentasse junto com o sinal”, disse Kenkel.
O remédio dos pesquisadores para a imagem celular ruidosa funciona separando o sinal IR do movimento do detector, permitindo a amplificação sem o ruído adicional.
Em vez de concentrar suas energias no sinal de infravermelho mais forte possível, os pesquisadores começaram experimentando com o menor sinal que podiam gerenciar, garantindo que pudessem implementar efetivamente sua solução antes de aumentar a intensidade. Embora “contra-intuitivo”, de acordo com Kenkel, começar pequeno permitiu que os pesquisadores honrassem uma década de pesquisa em espectroscopia e estabelecessem bases críticas para o futuro do campo.
Bhargava compara a abordagem a uma viagem que deu errado.
“Imagine que os pesquisadores de espectroscopia estivessem em um carro, indo para o Grand Canyon. Claro, todos pensariam que quanto mais rápido o carro se movesse, mais rápido chegariam ao destino. Mas o problema é que o carro está indo para o leste de Urbana ,” ele disse.
Aumentar a velocidade do carro hipotético é análogo ao fortalecimento do sinal IR.
“Paramos, olhamos para um mapa e apontamos o carro na direção correta. Agora, o aumento da velocidade – o aumento do sinal – pode efetivamente mover o campo para frente.”
O “mapa” dos pesquisadores permite imagens químicas e estruturais de alta resolução de células em nanoescala – uma escala 100.000 vezes menor que um fio de cabelo. Notavelmente, esta técnica é livre de marcação fluorescente ou moléculas de tingimento para aumentar sua visibilidade sob um microscópio.
Embora as instalações do Microscopy Suite de Beckman tenham sido essenciais para o estágio experimental do estudo, a ideia em si surgiu não de uma tecnologia sofisticada, mas de uma cultura que apoiava a curiosidade, a resolução de problemas não convencionais e diversas perspectivas.
“É por isso que o Beckman Institute é um lugar incrível”, disse Bhargava. “Este projeto precisava de idéias de espectroscopia, de engenharia mecânica, de processamento de sinal e, claro, biologia. Você não pode combinar esses campos perfeitamente em qualquer lugar que não seja Beckman. Este estudo é um exemplo clássico da mistura de Beckman de ciência interdisciplinar na vanguarda de ciência e tecnologia avançadas”.
A pesquisa relatada neste comunicado de imprensa foi apoiada em parte pelo Instituto Nacional de Imagem Biomédica e Bioengenharia dos Institutos Nacionais de Saúde sob os números de prêmio T32EB019944 e R01EB009745, bem como pela National Science Foundation sob o número de prêmio 2153032. Este conteúdo é de responsabilidade exclusiva dos autores e não representa necessariamente as opiniões oficiais do NIH.
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