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Microscópio quântico pode examinar as células em detalhes sem precedentes

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Microscópios poderosos deram um salto quântico. O uso de um truque quântico com a luz permitiu a pesquisadores examinar as células1 vivas com detalhes sem precedentes sem destruí-las, uma técnica que pode melhorar os diagnósticos médicos e as pesquisas em microbiologia.

Os microscópios geralmente usados ​​para examinar sistemas biológicos vivos iluminam seus alvos com uma ou duas luzes brilhantes, e fontes de luz mais poderosas permitem que os pesquisadores vejam as células1 com mais detalhes. Mas essa abordagem tem um limite fundamental para a precisão que pode atingir: em algum ponto, uma luz forte o suficiente destruirá uma célula2 viva.

“Nossa compreensão da vida como ela é agora depende quase inteiramente da qualidade de nossos microscópios”, diz Warwick Bowen, da Universidade de Queensland, na Austrália. “Estamos realmente limitados pela tecnologia e não é óbvio como quebrar os limites existentes porque já aumentamos a intensidade o máximo que podemos sem destruir a célula2.”

Bowen e seus colegas encontraram uma maneira de superar esse problema. Eles usaram um tipo de microscópio com duas fontes de luz laser, mas enviaram um dos feixes através de um cristal especialmente projetado que “comprime” a luz. Ele faz isso introduzindo correlações quânticas nos fótons – as partículas de luz no feixe de laser.

Os fótons foram acoplados em pares correlacionados, e qualquer um deles que tivesse energias diferentes dos outros foi descartado em vez de ser emparelhado. Esse processo reduziu a intensidade do feixe enquanto diminuiu seu ruído, o que permitiu imagens mais precisas.

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No estudo, publicado na revista Nature, os pesquisadores descrevem como o desempenho dos microscópios de luz é limitado pela natureza estocástica da luz, que existe em pacotes discretos de energia conhecidos como fótons. A aleatoriedade nos momentos em que os fótons são detectados introduz ruído de disparo, que restringe fundamentalmente a sensibilidade, resolução e velocidade.

Embora a solução consagrada para esse problema seja aumentar a intensidade da luz de iluminação, isso nem sempre é possível ao se investigar sistemas vivos, pois os lasers brilhantes podem perturbar gravemente os processos biológicos. A teoria prevê que a imagem biológica pode ser melhorada sem aumentar a intensidade da luz usando correlações quânticas de fótons.

Nesse contexto, na pesquisa foi demonstrado experimentalmente que as correlações quânticas permitem uma relação sinal4-ruído além do limite de fotodano da microscopia convencional. O microscópio em questão é um microscópio Raman coerente que oferece resolução de sub-comprimento de onda e incorpora iluminação correlacionada quântica brilhante.

As correlações permitem a obtenção de imagens de ligações moleculares dentro de uma célula2 com uma relação sinal4-ruído 35 por cento melhorada em comparação com a microscopia convencional, correspondendo a uma melhoria de 14 por cento na sensibilidade à concentração. Isso permite a observação de estruturas biológicas que de outra forma não seriam resolvidas.

Os microscópios Raman coerentes permitem a impressão digital biomolecular altamente seletiva em espécimes não marcados, mas o fotodano é um grande obstáculo para muitas aplicações. Ao mostrar que o limite de fotodano pode ser superado, esse trabalho permitirá melhorias de ordem de magnitude na relação sinal4-ruído e na velocidade de imagem.

Com esses resultados, então, os pesquisadores descobriram que eram capazes de fazer medições 35 por cento mais nítidas do que um dispositivo semelhante que não usava luz comprimida.

“Para alcançar esse tipo de medição sem correlações quânticas, você teria que aumentar a intensidade”, diz Bowen. “Mas se você aumentasse a intensidade o suficiente para corresponder a esses resultados, você destruiria a amostra, então podemos examinar coisas que antes seriam impossíveis de ver.”

Isso incluiu a parede de uma célula2 de levedura (Saccharomyces cerevisiae), que tem cerca de 10 nanômetros de espessura, bem como o fluido dentro de uma célula2, ambos os quais seriam fracos mesmo com os melhores microscópios não quânticos e completamente invisíveis com microscópios padrão. Observar essas partes minúsculas de tecidos vivos pode ajudar a entender os fundamentos da vida em escalas menores.

Os microscópios quânticos também terão aplicações práticas, diz Bowen. Por exemplo, microscópios baseados em luz são frequentemente usados ​​para determinar se as células1 são cancerosas ou para diagnosticar outras doenças, e a luz comprimida pode melhorar significativamente a sensibilidade desses testes, bem como acelerá-los, diz ele.

Veja também sobre "Distinção entre tumores benignos e malignos".

 

Fontes:
Nature, publicação em 09 de junho de 2021.
New Scientist, notícia publicada em 09 de junho de 2021.

 

NEWS.MED.BR, 2021. Microscópio quântico pode examinar as células em detalhes sem precedentes. Disponível em: <https://www.news.med.br/p/medical-journal/1397215/microscopio-quantico-pode-examinar-as-celulas-em-detalhes-sem-precedentes.htm>. Acesso em: 25 out. 2021.

Complementos

1 Células: Unidades (ou subunidades) funcionais e estruturais fundamentais dos organismos vivos. São compostas de CITOPLASMA (com várias ORGANELAS) e limitadas por uma MEMBRANA CELULAR.
2 Célula: Unidade funcional básica de todo tecido, capaz de se duplicar (porém algumas células muito especializadas, como os neurônios, não conseguem se duplicar), trocar substâncias com o meio externo à célula, etc. Possui subestruturas (organelas) distintas como núcleo, parede celular, membrana celular, mitocôndrias, etc. que são as responsáveis pela sobrevivência da mesma.
3 Biópsia: 1. Retirada de material celular ou de um fragmento de tecido de um ser vivo para determinação de um diagnóstico. 2. Exame histológico e histoquímico. 3. Por metonímia, é o próprio material retirado para exame.
4 Sinal: 1. É uma alteração percebida ou medida por outra pessoa, geralmente um profissional de saúde, sem o relato ou comunicação do paciente. Por exemplo, uma ferida. 2. Som ou gesto que indica algo, indício. 3. Dinheiro que se dá para garantir um contrato.
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