Rohit Bhargava avec le chercheur postdoctoral Kevin Yeh, qui a conçu le microscope infrarouge personnalisé utilisé pour cette étude. Cette photo a été prise en février 2020. Crédit :L. Brian Stauffer, Université de l'Illinois Urbana-Champaign.
Les chercheurs ont développé un microscope spectroscopique pour permettre des mesures optiques des conformations et orientations moléculaires dans des échantillons biologiques. La nouvelle technique de mesure permet aux chercheurs d'imager des échantillons biologiques au niveau microscopique plus rapidement et avec plus de précision.
Le nouvel instrument est basé sur la technique d'imagerie spectroscopique infrarouge à fréquence discrète développée par des chercheurs du Beckman Institute for Advanced Science and Technology de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.
"Ce projet consiste à amener l'étude de la chiralité moléculaire dans le domaine microscopique, " dit Rohit Bhargava, professeur de bio-ingénierie, et le directeur du Cancer Center de l'Illinois.
La chiralité moléculaire fait référence à l'orientation spatiale des atomes dans des molécules ou des assemblages multimoléculaires. Dans les systèmes biologiques, une molécule peut provoquer une réponse cellulaire, tandis que son image miroir pourrait être inactive ou même toxique. Alors que le dichroïsme circulaire vibrationnel peut être utilisé pour aider à déterminer la structure chimique et l'orientation d'une molécule, Les mesures VCD prennent beaucoup de temps et ne pouvaient pas être utilisées auparavant pour imager des systèmes biologiques complexes ou des échantillons de tissus solides.
L'article "Concurrent Vibrational Circular Dichroism Measurements with Infrared Spectroscopic Imaging" a été publié dans Chimie analytique et figurait sur la couverture.
Rohit Bhargava et l'étudiante diplômée Yamuna Phal analysent une image microscopique d'un tissu solide. Cette photo a été prise en février 2020. Crédit :L. Brian Stauffer, Université de l'Illinois Urbana-Champaign
Le nouveau microscope infrarouge rend possible l'imagerie de la chiralité des biomolécules en accélérant à la fois le temps d'acquisition et en améliorant le rapport signal/bruit des techniques VCD traditionnelles. « Quand vous envoyez de la lumière vers le bas d'un microscope depuis un spectromètre, vous en jetez essentiellement une grande partie, " dit Bhargava. " Pour les mesures VCD, il faut aussi l'envoyer à travers un modulateur photoélastique, qui change la polarisation de la lumière à gauche ou à droite. À ce moment, il ne te reste plus beaucoup de lumière, ce qui signifie que vous devez faire la moyenne de votre signal pendant une longue période pour voir un seul pixel dans une image."
Le Laboratoire d'Imagerie Chimique et Structures, dirigé par Bhargava, ont réalisé des mesures infrarouges et VCD rapides et simultanées en s'appuyant sur le cadre de leur microscope d'imagerie infrarouge à fréquence discrète haute performance. Au lieu d'utiliser une source lumineuse thermique traditionnelle, l'instrument est construit autour d'un laser à cascade quantique.
"La source laser a motivé toute la conception, " dit Yamuna Phal, un étudiant chercheur diplômé en génie électrique et informatique. "La source QCL a une puissance plus élevée, ce qui signifie que nous pouvons acquérir des mesures plus rapides. Précédemment, vous ne pouviez faire du VCD que sur des échantillons liquides, mais nous pouvons également imager des tissus solides. Cela n'a jamais été tenté auparavant car il faut tellement de temps pour acquérir les signaux VCD en premier lieu. »
Kevin Ouais, un chercheur associé postdoctoral, qui a codirigé le développement du microscope, a affirmé que d'autres applications pourraient découler du microscope construit pour ce projet. "Nous avons initialement envisagé le microscope infrarouge à fréquence discrète comme une plate-forme sur laquelle d'autres techniques pourraient être construites, " dit Yeh. " Nous avons résolu l'une de ces extensions, qui est VCD, mais nous pourrions en envisager bien d'autres."
Bien que les applications de cette technique puissent couvrir les sciences biologiques, le travail lui-même témoigne de la force de la science interdisciplinaire. "Ce projet n'a été possible qu'en rassemblant des réflexions de différents domaines, " dit Bhargava. " C'est un problème de chimie résolu par une conception basée sur la physique, mis en œuvre par un étudiant en génie électrique. C'est dans notre ADN chez Beckman d'adopter ce genre d'approche pour résoudre les problèmes."
