La complessità della biologia può confondere anche il più sofisticato dei microscopi ottici. Campioni di tessuto sono in grado di piegare la luce in modo imprevedibile rendendo quasi impossibile una corretta interpretazione delle informazioni.
Oggi una nuova tecnologia di imaging – sviluppata presso il Janelia Farm Research Campus dello Howard Hughes Medical Institute – promette di correggere facilmente questo tipo di distorsioni e migliorare le immagini in alta risoluzione ricavate da grandi volumi di tessuto. Si tratta di una forma di ottiche adattive implementate per l’imaging di corpi trasparenti come quelli del danio zebrato (comunemente noto come pesce zebra) e dei vermi cilindrici come il Caenorhabditis elegans, da sempre organismi modello della ricerca biologica.
Eric Betzig, leader del gruppo di ricerca Janelia spiega che il suo team “ha sviluppato la nuova tecnologia combinando strategie di ottica adattiva che gli astronomi usano comunemente per ovviare problemi analoghi nell’osservazione del cielo”. Nel rapporto pubblicato ieri su Nature Methods, Betzig e i suoi colleghi mostrano come la nuova tecnologia sia in grado di mettere a fuoco le sottili strutture ramificate e gli organelli subcellulari delle cellule nervose in profondità nel cervello vivente di un pesce zebra. Dettagli prima sfocati e indistinti sotto un identico microscopio privo di ottica adattiva.
“La nostra tecnologia è piuttosto robusta e non ha bisogno di nulla di speciale per essere applicata. In futuro potrebbe diventare una componente molto comoda per i microscopi attualmente in commercio”, spiega Wang, un ricercatore del team di Betzig.
Negli ultimi dieci anni sono tanti i gruppi di ricerca ad aver preso spunto dall’astronomia per correggere errori di ottica al microscopio. Comunemente gli astronomi applicano ottiche adattive illuminando con il laser nella stessa direzione degli oggetti che vogliono osservare. La luce che ritorna da queste stelle guida viene distorta attraverso l’atmosfera turbolenta di ritorno al telescopio. Utilizzando un sensore di fronte d’onda gli astronomi misurano la distorsione e utilizzano il dato per deformare gli specchi che compongono lo strumento annullando le aberrazioni atmosferiche. La correzione restituisce all’osservatore un’immagine molto più chiara dell’oggetto che si vuole osservare.
Il Very Large Telescope sul Cerro Paranal, a 2.635 metri di altitudine nel deserto di Atacama, Cile settentrionale.
Betzig e Wang si sono concentrati sullo sviluppo di una strategia di ottica adattiva che sfrutta processi dinamici non invasivi e ad alta risoluzione. Seguendo l’analogia astronomica, il team ha creato una stella guida concentrando la luce del microscopio in un punto all’interno del campione. Utilizzando una tecnica di eccitazione a due fotoni, sono riusciti a penetrare il tessuto con luce infrarossa e illuminare un punto specifico. Il sensore di fronte d’onda ha così potuto determinare come la luce era stata deformata attraverso il tessuto ed elaborare una correzione appropriata.
“In biologia, diversamente dall’astronomia, gli errori di fronte d’onda sono molto complesso”, spiega Betzig. “La luce di ritorno è molto più irregolare in microscopia che in astronomia”. La correzione che funziona in un punto non è efficace altrove dove le onde luminose si piegano in modo diverso. Un valido aiuto arriva dall’oftalmologia, abituata a corregge le immagini della retina oculare, che distorce la luce che passa attraverso la cornea dell’occhio e la lente. Combinando astronomia e oftalmologia ci si avvicina a una buona soluzione per i tessuti trasparenti, simili a quello del pesce zebra. Il risultato è un’immagine di qualità decisamente superiore, che fornisce ai biologi molte più informazioni.
“Il lavoro di Wang dimostra ancora una volta la sinergia tra tecniche osservative tipiche dei telescopi e quelle impiegate nella microscopia. Il sensore a piramide, oggi largamente usato in astronomia e concepito all’interno di INAF, ha notevoli affinità con i microscopi a contrasto di fase”, spiega Roberto Ragazzoni dell’INAF – Osservatorio Astronomico di Padova. “Chi si occupa di microscopia ha il vantaggio di poter illuminare un campione in modo intelligente mentre in astronomia sono maggiormente sviluppate tecniche che consentono riprese panoramiche. Il gruppo di Wang supera questo problema scansionando il campione e ottenendo una immagine panoramica formata da più immagini compensate in modo diverso. Qualcosa che in astronomia chiameremmo una survey. E le analogie potrebbero continuare”, conclude Ragazzoni. La reciproca contaminazione promette sviluppi interessanti per astronomi e biologi insomma.