Per diverse centinaia di anni, gli scienziati si sono dovuti accontentare di osservare i movimenti di cellule, batteri o lieviti dall’esterno attraverso i loro microscopi ottici. La barriera della diffrazione della luce, che rendeva le immagini di oggetti più piccoli di un centinaio di nanometri sfocate e inutilizzabili, sembrava insormontabile. Questa soglia è stata finalmente superata una quindicina di anni fa con la microscopia a super-risoluzione, che ha permesso di immergersi nel cuore dei campioni viventi e di percepire, ad esempio, il comportamento degli organelli e le interazioni delle cellule con virus, proteine o molecole di farmaci. Uno dei metodi sviluppati, la microscopia a illuminazione strutturata, offre una risoluzione e un contrasto eccezionali in 3D, garantendo al contempo una bassa esposizione ai fotoni: vantaggi inestimabili per un’ampia gamma di ricerche. Nonostante lo sviluppo dei microscopi elettronici, che possono raggiungere risoluzioni nell’ordine dei nanometri, l’imaging ottico rimane essenziale nelle scienze della vita: consente di utilizzare i vari strumenti disponibili e di osservare campioni viventi in condizioni che permettono loro di svilupparsi normalmente. Tuttavia, i microscopi a illuminazione strutturata sono ancora molto costosi e non sempre accessibili. Gli scienziati del Laboratory for Bio- and Nano-instrumentation (LBNI) dell’EPFL hanno sviluppato un dispositivo che consente di trasformare il loro microscopio ottico in uno strumento ad alta risoluzione a basso costo, utilizzando attrezzature disponibili in commercio. Le istruzioni dettagliate su come utilizzare questa ingegnosa estensione sono ora disponibili gratuitamente, insieme a video esplicativi.
Un microscopio compatto che può essere costruito e utilizzato anche da non specialisti
La microscopia a illuminazione strutturata (SIM) migliora la risoluzione ricostruendo le alte frequenze spaziali che di solito sono le aree sfocate quando i microscopi ottici standard raggiungono il loro limite. Questo processo raddoppia la risoluzione e consente di osservare elementi fino a 100 nanometri. Il campione viene sottoposto a schemi di illuminazione noti, come le griglie. Sulla base di immagini scattate con schemi diversi, vengono utilizzati algoritmi per ricostruire l’immagine dell’oggetto con una risoluzione migliorata grazie all’effetto moiré.Nel 2019, quando una dottoranda, Mélanie Hannebelle, aveva bisogno di un dispositivo di questo tipo, è nata l’idea di realizzarne uno nel Laboratorio di bio- e nano-strumentazione all’interno dell’Istituto interfacoltà di bioingegneria (IBI) della facoltà STI. Il ricercatore ha quindi lavorato su un dispositivo interno. Altri laboratori avevano già sviluppato sistemi su grandi tavoli dotati di componenti ottici, ma queste installazioni sono difficili da riprodurre. L’obiettivo del dottorando era quello di creare uno strumento compatto che potesse essere costruito e utilizzato da non specialisti, senza richiedere una costosa manutenzione. "Abbiamo utilizzato componenti dell’industria elettronica utilizzati per la realizzazione di videoproiettori, dello stesso tipo di quelli utilizzati nelle aule scolastiche, che abbiamo trasformato e disposto in modo da proiettare una struttura luminosa sul campione", spiega Georg Fantner, professore della LBNI.
Convalidato dai ricercatori di scienze biologiche
Per scoprire se il potenziale di questo microscopio potenziato va oltre l’idea geniale di uno specialista, gli scienziati hanno suggerito ai laboratori di scienze biologiche della scuola di testarlo. Una comunità locale si è riunita intorno al progetto: ha collaborato con i gruppi dei professori Andrew Oates, Matthias Lutolf, John McKinney e Aleksandra Radenovic per testare lo strumento su campioni di ricerca reali. "Gli scienziati ci hanno portato le loro domande e i loro campioni, spiegandoci le loro esigenze. Abbiamo elaborato un piano per vedere come questo strumento avrebbe potuto aiutarli nella loro ricerca", ricorda il professore. Il riscontro è stato positivo, quindi l’ottenimento di un finanziamento da parte dell’Iniziativa Open Science dell’EPFL ci ha permesso di lavorare su come rendere questi risultati disponibili a tutti. Anche rendere il sistema riproducibile, con spiegazioni sufficientemente precise in modo che gli scienziati che ci lavorano non perdano la pazienza prima di completarlo, è stato un compito minuzioso e che ha richiesto molto tempo. Un’altra dottoranda, Esther Raeth, si è quindi occupata di documentare i riferimenti, riassumendo il materiale necessario e il modo in cui assemblarlo attraverso un video. "Con il nostro sistema, l’unico prerequisito è un microscopio ottico di buona qualità, ma la maggior parte dei laboratori ne possiede uno", sottolinea il professore.L’OpenSIM non intende competere con strumenti più sofisticati: presenta alcune limitazioni rispetto alle controparti commerciali, come un contrasto di modulazione ridotto e quindi un potenziale di risoluzione inferiore - il guadagno di efficienza è moltiplicato per 1,7 rispetto a un guadagno teorico di 2 volte - ma l’obiettivo utile è raggiunto: dare un accesso sufficiente a questa tecnologia ai laboratori che fanno poche ricerche che lo richiedono o che non hanno i mezzi per acquistare un microscopio a illuminazione strutturata che costa più di mezzo milione di franchi. La LBNI continua a impegnarsi per diffondere il più possibile il suo lavoro e per riunire una comunità di utenti che possano condividere le loro esperienze. "Da quando il nostro articolo è apparso sul sito BioRxiv.org, ho ricevuto molti messaggi da persone che trovano l’idea molto interessante e cercano informazioni su come costruire il proprio dispositivo", conclude Georg Fantner.
