28.10.2020
PL EN
07.10.2020 aktualizacja 07.10.2020

Mikroskopia optyczna poza limitem rozdzielczości – nowa metoda opracowana z udziałem Polaków

Fot. materiały prasowe Fot. materiały prasowe

Polsko-izraelski zespół pod kierunkiem dr. Radka Łapkiewicza z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego przedstawił na łamach czasopisma „Optica” nową, rewolucyjną metodę mikroskopii, która teoretycznie nie ma limitu rozdzielczości.

O badaniach poinformowała w przesłanym PAP komunikacie Fundacja na rzecz Nauki Polskiej (FNP). Dr Łapkiewicz jest laureatem jej programu FIRST TEAM.

Rozwój nauk biologicznych i medycyny wymaga obserwacji coraz mniejszych obiektów - na przykład struktury i wzajemnego oddziaływania białek w komórkach. Obserwowane próbki nie powinny się przy tym różnić od struktur występujących naturalnie w organizmie – dlatego nie można używa zbyt agresywnie oddziałujących procedur i odczynników.

Klasyczny mikroskop optyczny ma niewystarczającą rozdzielczość. Ze względu na falową naturę światła mikroskop taki nie pozwala obrazować struktur mniejszych niż około 250 nanometrów (połowa długości fali światła zielonego). Obiekty położone bliżej siebie przestają być rozróżnialne. To tak zwane ograniczenie dyfrakcyjne.

Mikroskop elektronowy ma rozdzielczość o kilka rzędów wielkości większą niż optyczny, ale pozwala obserwować tylko martwe, umieszczone w próżni obiekty, bombardowane wiązką elektronów. Nie ma mowy o badaniu żywych organizmów ani naturalnie zachodzących w nich procesów.

Rozwiązaniem jest super-rozdzielczy mikroskop fluorescencyjny (badania dotyczące rozwoju tej dziedziny obrazowania zostały uhonorowane Nagrodą Nobla w roku 2008 i 2014).

Jak przypomniano w komunikacie, obecnie istnieje już kilka technik mikroskopii fluorescencyjnej. Metody PALM, STORM czy STED charakteryzują się olbrzymią rozdzielczością i pozwalają rozróżniać obiekty oddalone od siebie tylko o kilkanaście nanometrów. Konieczny jest jednak długi czas ekspozycji oraz skomplikowane przygotowania preparatów biologicznych. Z kolei mikroskopia SIM lub ISM, to metody łatwe w użyciu, ale o znacznie ograniczonej rozdzielczości - pozwalają oglądać struktury tylko dwukrotnie mniejsze od ograniczenia dyfrakcyjnego.

Dr Radek Łapkiewicz z Laboratorium Optyki Kwantowej na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego oraz Aleksandra Środa i Adrian Makowski – studenci WF UW, wraz z zespołem Dana Orona z Instytutu Weizmanna w Izraelu, ulepszyli istniejącą metodę ISM i opracowali nową technikę mikroskopii super-rozdzielczej, nazwanej przez nich Super-resolution optical fluctuation image scanning microscopy (SOFISM). Udało się wykazać aż czterokrotne pokonanie ograniczenia dyfrakcyjnego - podała FNP.

„SOFISM oferuje kompromis pomiędzy łatwością użycia a rozdzielczością. Wierzymy, że nasza metoda może być uzupełnieniem niszy pomiędzy skomplikowanymi, trudnymi w użyciu technikami o bardzo wysokiej rozdzielczości a metodami o niskiej rozdzielczości, lecz prostymi w użyciu. SOFISM nie posiada teoretycznego limitu rozdzielczości, jednakże w naszej pracy przedstawiliśmy wyniki, w których zdołaliśmy czterokrotnie pokonać ograniczenie dyfrakcyjne. W artykule pokazaliśmy również, że metoda SOFISM posiada wysoki potencjał w obrazowaniu trójwymiarowych struktur biologicznych” – mówi dr Radek Łapkiewicz, cytowany w komunikacie.

Metoda opracowana przez warszawskich fizyków jest – od strony technicznej – bardzo przystępna. Wystarczy - jak czytamy w komunikacie - niewielka modyfikacja powszechnie stosowanego w laboratoriach mikroskopu konfokalnego (wymiana fotopowielacza na detektor SPAD array), niewielkie wydłużenie czasu pomiaru oraz zmiana procedury obróbki danych.

„Detektory SPAD array były do niedawna drogie, a ich parametry nie były wystarczające do zastosowań takich jak nasze. Ta sytuacja zmieniła się ostatnio. Od ubiegłego roku dostępne są nowe detektory SPAD, w których zarówno bariery technologiczne, jak i cenowe zostały usunięte. Dlatego uważamy, że techniki mikroskopii fluorescencyjnej, takie jak SOFISM, mogą w ciągu kilku lat stać się technikami powszechnie stosowanymi w badaniach mikroskopowych” – podkreśla dr Łapkiewicz.

Publikację można znaleźć pod adresem: https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-7-10-1308

Badania były realizowane w ramach programu FIRST TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej finansowanego z funduszy europejskich z programu Inteligentny Rozwój. Program FIRST TEAM umożliwiał młodym naukowcom stworzenie własnego zespołu badawczego i prowadzenie oryginalnych badań naukowych. Środki były przyznawane w drodze konkursu. Dr Łapkiewicz zdobył grant w programie FIRST TEAM w 2017 r. i otrzymał prawie 2 mln zł na stworzenie zespołu i na badania. Wcześniej – w 2016 r. - dr Łapkiewicz zdobył prestiżowe stypendium w programie START Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, przyznawane najzdolniejszym młodym naukowcom w Polsce. (PAP)

pmw/ agt/

Copyright © Fundacja PAP 2020