Mikroskopia poza granicami rozdzielczości

Zespół polsko-izraelski kierowany przez dr. Radek Łapkiewicz z Wydziału Fizyki UW przedstawił w czasopiśmie "Optica" nową, rewolucyjną metodę mikroskopii, która teoretycznie nie ma ograniczenia rozdzielczości.

Badania zostały ogłoszone przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej (FNP) w komunikacie dla PAP. Dr. Łapkiewicz jest laureatem programu FIRST TEAM.

Rozwój nauk przyrodniczych i medycyny wymaga obserwacji coraz mniejszych obiektów - na przykład struktury i interakcji białek w komórkach. Obserwowane próbki nie powinny odbiegać od struktur naturalnie występujących w organizmie - w związku z tym metod i odczynników nie wolno używać zbyt agresywnie.
Klasyczny mikroskop optyczny ma niewystarczającą rozdzielczość. Ze względu na długość fali światła taki mikroskop nie pozwala na obrazowanie struktur mniejszych niż około 250 nanometrów (połowa długości fali światła zielonego). Nie można już rozróżnić obiektów, które są bliżej siebie. Jest to tak zwane ograniczenie dyfrakcyjne.
Mikroskop elektronowy ma rozdzielczość o kilka rzędów wielkości większą niż mikroskop świetlny, ale pozwala nam obserwować tylko martwe obiekty, które są umieszczane w próżni i bombardowane wiązką elektronów. Nie chodzi o badanie organizmów żywych czy procesów w nich naturalnie zachodzących.

Źródło obrazu: Optica tom 7, wydanie 10, str. 1308-1316 (2020) •https://doi.org/10.1364/OPTICA.399600

Rozwiązaniem jest mikroskop fluorescencyjny o wysokiej rozdzielczości (badania nad rozwojem tego obszaru obrazowania zdobyły Nagrodę Nobla w 2008 i 2014 roku). Jak przypomniano w komunikacie, istnieje już kilka technik mikroskopii fluorescencyjnej. Metody PALM, STORM czy STED charakteryzują się wysoką rozdzielczością i pozwalają na różnicowanie obiektów oddalonych od siebie zaledwie o kilkanaście nanometrów. Wymagany jest jednak długi czas ekspozycji i skomplikowane przygotowanie preparatów biologicznych. Z drugiej strony mikroskopia SIM czy ISM to metody łatwe w użyciu, ale o znacznie zmniejszonej rozdzielczości - pozwalają na dostrzeżenie struktur, które są tylko dwa razy mniejsze od granicy dyfrakcji. Dr. Radek Łapkiewicz z Laboratorium Optyki Kwantowej Wydziału Fizyki UW oraz Aleksandra Środa i Adrian Makowski - studenci SGGW - wraz z zespołem Dana Orona z Instytutu Weizmanna w Izraelu udoskonalili dotychczasową metodę ISM i wprowadził nową technologię, mikroskopię skaningową obrazu fluktuacji optycznej w super rozdzielczości (SOFISM). Udało im się wykazać, że granica dyfrakcji została przekroczona czterokrotnie - poinformował FNP.

„SOFISM oferuje kompromis między łatwością użycia a rozdzielczością. Uważamy, że nasza metoda może wypełnić niszę między złożonymi, trudnymi w użyciu technikami o bardzo wysokiej rozdzielczości a metodami o niskiej rozdzielczości, ale łatwymi w użyciu. teoretyczna granica rozdzielczości, ale w naszej pracy przedstawiliśmy wyniki, w których czterokrotnie przekroczyliśmy granicę dyfrakcji. W artykule wykazaliśmy również, że metoda SOFISM ma duży potencjał obrazowania trójwymiarowych struktur biologicznych ”- mówi dr hab. . Radek Łapkiewicz, którego cytowano w komunikacie.

Metoda opracowana przez warszawskich fizyków jest technicznie bardzo przystępna. Wystarczy - jak czytamy w komunikacie - nieznacznie zmodyfikować powszechnie stosowany w laboratoriach mikroskop konfokalny (zastąpienie fotopowielacza detektorem matrycowym SPAD), nieznacznie wydłużyć czas pomiaru i zmienić procedurę obsługi danych.

„Do niedawna detektory z matrycą SPAD były drogie i nieodpowiednie do zastosowań takich jak nasza. Ta sytuacja ostatnio się zmieniła. Od zeszłego roku są dostępne nowe detektory SPAD, które zawierają zarówno technologię, jak i bariery cenowe. Dlatego uważamy, że mikroskop fluorescencyjny techniki takie jak SOFISM mogą stać się powszechnymi technikami badań mikroskopowych w ciągu kilku lat ”. - podkreśla dr hab. Łapkiewicz.

Publikacja jest tutaj do znalezienia.