Uma equipe de pesquisadores na Alemanha e na Austrália recentemente usou uma nova técnica de microscopia para criar imagens de estruturas biológicas em nanoescala a uma resolução anteriormente inviável — e tudo isso sem destruir a célula viva. A técnica, que emprega luz de laser muitos milhões de vezes mais brilhante do que o Sol, tem implicações para as tecnologias biomédicas e de navegação.
No novo trabalho, os cientistas lançaram uma poderosa luz de laser sobre uma célula de levedura (fungos) para revelar os disfarces de suas subestruturas. Eles conseguiram obter a resolução mais alta que desejavam graças aos fótons emaranhados, já que “detectar um fóton fornece informações sobre quando o próximo fóton chegará”, explicou Warwick Bowen, físico quântico da Universidade de Queensland, na Austrália e coautor do novo estudo, em um e-mail.
O sensor no microscópio da equipe, descrito em um artigo publicado na Science, se baseia na luz quântica — pares interligados de fótons — para ver estruturas mais bem resolvidas sem danificá-las. O microscópio óptico quântico é um exemplo de como o estranho princípio do emaranhamento (ligação) quântico pode se apresentar em aplicações do mundo real. Duas partículas são emaranhadas quando suas propriedades são interdependentes — medindo uma delas, você também pode saber as propriedades da outra.
“A questão-chave que respondemos é se a luz quântica pode permitir um desempenho em microscópios que vai além dos limites do que é possível usando técnicas convencionais”, disse Bowen. A equipe de pesquisa descobriu que, de fato, pode. “Demonstramos isso pela primeira vez, mostrando que as correlações quânticas podem permitir o desempenho (contraste/clareza aprimorados) além do limite devido ao ‘fotodano’ em microscópios regulares.” Por fotodano, Bowen está se referindo à maneira como um bombardeio de fótons a laser pode degradar ou destruir o alvo de um microscópio, semelhante à forma como as formigas ficam queimadas sob uma lente de aumento.
Os microscópios têm permitido aos humanos entender a biologia em um nível mais profundo desde o século 16, e os mais avançados vão além do que duas lentes alinhadas. Inovações como microscópios de varredura por tunelamento, por exemplo, podem ver partículas minúsculas como átomos individuais.
O experimento é empolgante porque, enquanto outros microscópios operando com luz tão intensa acabam abrindo buracos no que estão tentando estudar, o novo método da equipe não o fez. Os pesquisadores identificaram quimicamente uma célula de levedura usando o ‘espalhamento Raman’, que observa como alguns fótons se espalham por uma determinada molécula para entender a assinatura vibracional dessa molécula.
Os microscópios Raman costumam ser usados para esse tipo de impressão digital, mas a destruição total da coisa que estão estudando incomoda os pesquisadores, já que eles buscam por resoluções cada vez mais altas. Neste caso, a equipe poderia ver as concentrações de lipídios (gordura) da célula usando pares de fótons correlacionados para obter uma ótima visão sem aumentar a intensidade de laser do microscópio.
“Este experimento é um belo exemplo de como as técnicas quânticas estão agora sendo aproveitadas para uma melhor compreensão dos processos biológicos”, disse Clarice Aiello, engenheira quântica especializada em biofísica em nanoescala da Universidade da Califórnia em Loas Angeles (UCLA) que não fez parte deste artigo. “Obstáculos técnicos precisarão ser superados antes que a tecnologia se torne comercial, mas este experimento é uma prova de princípio de que as técnicas quânticas desenvolvidas há décadas podem e serão implantadas com grande vantagem nas ciências da vida.”
Charles Camp, engenheiro elétrico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia especializado em imagens Raman, disse em um e-mail que os métodos Raman “há muito tempo prometem revolucionar a imagem biológica”, mas têm várias limitações. Contudo, no novo estudo, os pesquisadores “apresentam um sistema de prova de princípio e uma maneira relativamente prática de aprimorar a microscopia (de espalhamento Raman estimulado)”, disse Camp.
O novo estudo foi capaz de ver claramente dentro da célula, que é uma estrutura de poucos nanômetros de espessura. Segundo Bowen, “normalmente é muito difícil ver a parede celular e, em nosso caso, mostramos que nosso microscópio só podia ver isso muito vagamente, ainda sem identificar as correlações quânticas.”
Pode ser assustador ou estranhamente reconfortante pensar que somos todos apenas uma soma de células, organizadas em microescalas para formar membros, órgãos internos e todos os sistemas complexos que nos fazem funcionar. Mas, se conseguirmos uma visão ainda mais ampliada, perceberemos que existem estruturas biológicas ainda menores a serem totalmente compreendidas. Novas técnicas de imagem impressionantes estão nos permitindo ver com mais atenção esse reino totalmente desconhecido.