Esperti di imaging premiati con il Premio Nobel per la Chimica / Imaging experts awarded Nobel Prize for Chemistry

 

Esperti di imaging premiati con il Premio Nobel per la Chimica Il procedimento del brevetto ENEA RM2012A000637 è molto utile per l'innovazione. / Imaging experts awarded Nobel Prize for Chemistry. The procedure of the ENEA patent RM2012A000637 is very useful for innovation.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Il Premio Nobel per la Chimica di quest'anno è stato assegnato a tre scienziati che hanno sviluppato tecnologie che consentono ai microscopi ottici di ottenere immagini di strutture biologiche su scala nanometrica, tra cui singole molecole all'interno delle cellule, strutture e processi subcellulari e l'interazione tra le proteine.

Ritenuta a lungo impossibile, la capacità di ottenere immagini ad altissima risoluzione ha permesso ai ricercatori di osservare l'insorgere delle malattie nelle cellule viventi, rendendo possibili enormi progressi nello sviluppo di nuove terapie.

Si è a lungo ritenuto che la microscopia ottica avesse dei limiti, poiché non era possibile ottenere immagini nitide di oggetti più piccoli della metà della lunghezza d'onda della luce, ovvero circa 0,2 micrometri. Sebbene fosse possibile osservare le singole cellule, le strutture al loro interno e persino le grandi molecole proteiche non erano visibili; anche i virus si trovavano al di sotto di questo limite, noto come limite di Abbé, dal nome del microscopista Ernst Abbé, che lo individuò nel 1873.

La prima delle scoperte premiate con il Nobel è stata opera del professor Stefan Hell, un microscopista tedesco che lavorava a Turku, in Finlandia. Utilizzando una tecnica chiamata emissione stimolata, Hell ha ideato un metodo per usare i laser sia per indurre che per spegnere – accendere e spegnere – la fluorescenza negli anticorpi che potevano essere accoppiati al DNA. La tecnica di Hell, chiamata deplezione dell'emissione stimolata, utilizza un raggio laser con un diametro nanometrico per indurre la fluorescenza, che è circondato da un raggio di spegnimento più ampio ed anulare. Entrambi i raggi scansionano il campione, con il raggio centrale stretto che agisce come una torcia, illuminando una minuscola frazione del campione in ogni istante. I processori del microscopio combinano le immagini della scansione con le informazioni sulla posizione della sonda laser al momento dell'acquisizione dell'immagine per ottenere un'immagine combinata la cui risoluzione corrisponde all'ampiezza del raggio induttore. Hell ha perfezionato la tecnica presso l'Università di Göttingen nel 2000.

L'altra scoperta riguarda due ricercatori americani, W.E. Moerner ed Eric Betzig. Moerner, che lavorava all'Università della California a San Diego nel 1997, scoprì che singole molecole di una proteina fluorescente verde, isolata dalle meduse, potevano essere rese fluorescenti, quindi spente e riaccense, utilizzando una specifica lunghezza d'onda della luce.

Betzig, seguendo da vicino il lavoro di Moerner, si rese conto nel 2006 che, accoppiando questa proteina alla membrana che circonda una parte specifica di una cellula, un impulso luminoso alla giusta lunghezza d'onda avrebbe fatto brillare le molecole fluorescenti; ma se la luce utilizzata era debole, solo alcune molecole avrebbero emesso fluorescenza, e la maggior parte di esse sarebbe stata sufficientemente distante da poter essere distinguibile con un normale microscopio ottico. Dopo un breve periodo la fluorescenza si sarebbe affievolita, quindi l'impulso debole sarebbe stato ripetuto per far brillare più molecole. Ripetendo questo processo molte volte e riprendendo ciascun gruppo di punti luminosi, per poi sovrapporre le immagini, si otteneva un'immagine composita con una risoluzione ben al di sotto del limite di Abbé.

I tre premi Nobel sono ancora attivi nel settore. Hell sta lavorando sul meccanismo di segnalazione delle cellule cerebrali attraverso le sinapsi; Moerner sulla FATA; sulla malattia di Huntington, una patologia genetica degenerativa; e Betzig sulle divisioni cellulari all'interno degli embrioni in via di sviluppo.

ENGLISH

This year’s Nobel Prize for Chemistry has gone to three scientists who developed technologies which allow optical microscopes to obtain images of biological structures on the nanometre scale, including individual molecules inside cells, sub-cellular structures and processes, and the interplay between proteins.

Long thought to be impossible, imaging at such high resolution has allowed researchers to watch diseases taking hold in living cells, making possible huge strides in the development of new treatments.

Optical microscopy has long been thought limited because it was not possible to obtain clear images of anything smaller than half the wavelength of light, that is around 0.2micrometres. Although individual cells could be seen, the structures within them and even large protein molecules could not; viruses were also below this limit, which is knows as the Abbé Limit after microscopist Ernst Abbé, who came up with it in 1873.

The first of the Nobel breakthroughs came from Prof Stefan Hell, a German microscopist working at Turku in Finland. Using a technique called stimulated emission, Hell devised a way to use lasers to both induce and quench — switch on and off — fluorescence in antibodies which could be coupled to DNA. Hell’s technique, called stimulated emission depletion, uses a laser beam with a nanoscale diameter to induce fluorescence, which is surrounded by a wider, ring-shaped quenching beam. Both beams scan over the sample, with the narrow central beam acting like a torch, illuminating a tiny fraction of the sample at any one time. The microscope’s processors combines the images from the scan with positional information of where the laser probe was when the image was obtained to give a combined image whose resolution matches the width of the inducing beam. Hell perfected the technique at the University of Göttingen in 2000.

The other development cake from two American researchers, WE Moerner and Eric Betzig. Moerner, working at the University of California in San Diego in 1997, discovered that single molecules of a green fluorescent protein that had been isolated from jellyfish could be made to fluoresce, then turned off and on again, using a specific wavelength of light.

Betzig, following Moerner’s work closely, realised in 2006 that by coupling this protein to the membrane surrounding a specific part of a cell, a light pulse at the right wavelength would cause the fluorescent molecules to glow; but if the light used was weak, only some of the molecules would fluoresce, and most of them would be far enough apart that a normal light microscope could resolve them. After a short time the fluorescence would die away, then the weak pulse would be repeated to make more molecules fluoresce. Repeating this many times and imaging each group of glowing points, then superimposing these images, gave a composite image with resolution well below the Abbé Limit.

The three Nobel winners are still active in the field. Hell is working on the mechanism of brain cell signalling across synapses; Moerner on the fata; genetic degenerative condition Huntington’s disease; and Betzig on cell divisions inside developing embryos.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/imaging-experts-awarded-nobel-prize-for-chemistry?utm_source=content_recommendation&utm_medium=blueconic