Nobel per la Chimica alla microscopia a fluorescenza

Da Aula di Scienze:

Per quest’anno, il comitato che assegna i premi Nobel per la Chimica ha deciso di premiare una capacità tipica della scienza: quella di andare oltre i limiti che sembrano invalicabili. Lo hanno fatto i tre premiato di quest’anno, il tedesco Stefan W. Hell e gli americani Eric Betzig e William E. Moerner, che hanno messo a punto due diversi metodi per guardare nella scala nano, inventando la microscopia a fluorescenza.

La storia comincia nel 1873, quando Ernst Abbe stipula quello che diviene noto sotto il nome di “principio di Abbe”, cioè che la risoluzione massima di un microscopio ottico non può essere meno di 0,2 micrometri. Lo stabilisce la legge fisica secondo la quale la massima risoluzione di un microscopio è pare alla metà della lunghezza d’onda della luce. I sistemi ottici che raggiungono questo limite teorico si dicono “diffraction limited”, ovvero “limitati dalla sola diffrazione”: un limite che non può essere superato. L’immagine qui sotto mostra dove si ferma la risoluzione dei microscopi ottici individuata da Ernst Abbe: tra la scala dei mitocondri e quella dei virus.

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Illustrazione Nobel Foundation

Un limite superato due volte
Nel 2000 Stefan W. Hell, che lavora al Max Planck Institute di Gottinga e al Centro tedesco per la ricerca sul cancro di Heidelberg (entrambi in Germania) utilizza per la prima volta due raggi laser per illuminare del campione da visualizzare. Il primo raggio serviva a stimolare la fluorescenza delle molecole, mentre il secondo serviva a cancellare tutte le fluorescenze che non fossero nella scala nanometrica. Scannerizzando il campione nanometro per nanometro, il sistema messo a punto da Hell e noto come Stimulated Emission Depletion (STED), migliora la risoluzione massima prevista dal principio di Abbe.

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Illustrazione del funzionamento della STED microscopy (Immagine: Nobel Foundation)

Una strada diversa è stata percorsa sei anni dopo da Eric Betzig dell’Howard Hughes Medical Institute di Ashburn (Virginia, USA) e William E. Moerner della Stanford University (USA). Lavorando separatamente hanno messo a punto una tecnica nota come single-molecule microscopy, microscopia a singola molecola, che si basa sulla possibilità di accendere e spegnere la fluorescenza di singole molecole. I ricercatori possono così realizzare diverse immagini dello stesso campione, rendendo fluorescente solo alcune molecole di volta in volta. Sovrapponendo le immagini così raccolte, si realizza una sorta di super-immagine molto densa di informazioni e una risoluzione a livello nano.

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Illustrazione del funzionamento della single-molecule microscopy (Immagine: Nobel Foundation)

Una grande rivoluzione microscopica
Superare il limite imposto dal principio di Abbe ha permesso di guardare ai processi biologici con un dettaglio mai visto prima. Esistevano già microscopi con una risoluzione superiore, come quelli a scansione e quelli elettronici, ma non permettevano di vedere i processi biologici mentre si stavano svolgendo. La microscopia a fluorescenza sviluppata sulle scoperte di Betzig, Moerner e Hell ha permesso di guardare le sinapsi dei neuroni mentre si stanno generando, oppure di tracciare il comportamento di singole molecole coinvolte nei processi di malattie come quella di Parkinson, di Alzheimer o di Huntington. O ancora, ha permesso di seguire singole proteine all’interno di uova fertilizzate mentre si stanno dividendo. La microscopia a fluorescenza ha davvero messo davanti agli occhi dei ricercatori qualcosa di mai visto prima.

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