Especímenes biológicos fotografiados con rayos X sin sufrir daños
Una técnica innovadora que utiliza un nuevo tipo de lente de enfoque supera las limitaciones anteriores de las imágenes de rayos X
Un grano de polen mostrando la nanoespuma en su interior o una diatomea con las estructuras geométricas individuales en su interior claramente visibles: Utilizando rayos X de alta energía de la fuente de luz sincrotrón PETRA III del DESY, un equipo dirigido por los científicos del CFEL Saša Bajt y Henry Chapman ha conseguido obtener imágenes de estas estructuras sin dañarlas. Su nueva técnica genera imágenes de rayos X de alta resolución de material biológico desecado que no ha sido congelado, recubierto o alterado previamente, sin apenas dañar la muestra. Este método, que también se utiliza para escanear el equipaje de los aeropuertos, puede generar imágenes del material con una resolución nanométrica. Gracias al uso de rayos X de alta energía intensamente enfocados a través de un conjunto de novedosas lentes difractivas, la técnica especial permite obtener imágenes a menos del 1% del umbral de daño por rayos X de la muestra. Los resultados, que revelan este método como una herramienta prometedora para las fuentes de luz más brillantes de la próxima generación, como el proyecto de actualización previsto PETRA IV, se han publicado en la revista Light: Science & Applications.
De izquierda a derecha: un grano de polen recogido en DESY, una diatomea y una cianobacteria, todos ellos obtenidos mediante microscopía de dispersión de rayos X Compton en PETRA III. Estas micrografías, que alcanzan una resolución de hasta 70 nanómetros, pudieron tomarse sin causar daños a las muestras originales gracias al uso de fotones de alta energía altamente enfocados por unas novedosas lentes hechas a medida. Con la fuente de luz PETRA IV prevista, estas imágenes podrían alcanzar un nivel de detalle aún mayor, con detalles estructurales más finos, así como perspectivas tridimensionales.
DESY/CFEL
La luz de rayos X interactúa con el material biológico de diversas maneras, dependiendo sobre todo de la energía y la intensidad de la luz. Al mismo tiempo, el daño por radiación, desde pequeños cambios estructurales hasta la degradación completa de la muestra, es el factor limitante durante la obtención de imágenes de rayos X de muestras biológicas. A bajas energías, los rayos X son absorbidos principalmente por los átomos de la muestra, cuyos electrones toman la energía, haciendo que salgan de los átomos y causen daños a la muestra. Las imágenes que utilizan estos rayos X de baja energía muestran la absorción de la radiación por parte de la muestra. A energías más altas, la absorción es menos probable y se produce un proceso denominado dispersión elástica, en el que los fotones de rayos X "rebotan" en la materia como bolas de billar sin depositar su energía. Técnicas como la cristalografía o la ptycografía utilizan esta interacción. No obstante, la absorción puede seguir produciéndose, lo que significa que la muestra se daña de todos modos. Pero existe una tercera interacción: La dispersión Compton, en la que los rayos X sólo dejan una pequeña cantidad de su energía en el material objetivo. La dispersión Compton se había ignorado en gran medida como método viable de microscopía de rayos X, ya que requiere energías de rayos X aún mayores y hasta ahora no existían objetivos adecuados de alta resolución.
"Usamos la dispersión Compton y descubrimos que la cantidad de energía depositada en una muestra por número de fotones que se pueden detectar es menor que usando estos otros métodos", explica Chapman, que es uno de los principales científicos del DESY, profesor de la Universidad de Hamburgo e inventor de diferentes técnicas de rayos X en sincrotrones y láseres de electrones libres.
La ventaja de la baja dosis en la muestra supuso un reto para la fabricación de lentes adecuadas. Los rayos X de alta energía atraviesan todos los materiales y apenas se refractan, o se curvan, como es necesario para enfocarlos. Bajt, que es jefe de grupo en el CFEL, dirigió los esfuerzos para desarrollar un nuevo tipo de lentes refractivas, denominadas lentes Laue multicapa. Estas nuevas ópticas constan de más de 7.300 capas alternas nanométricas de carburo de silicio y carburo de tungsteno que el equipo utilizó para construir un elemento óptico holográfico lo suficientemente grueso como para enfocar eficazmente el haz de rayos X.
Con este sistema de lentes y la línea de luz PETRA III P07 del DESY, el equipo obtuvo imágenes de diversos materiales biológicos detectando datos de dispersión Compton a medida que la muestra atravesaba el haz enfocado. Este modo de microscopía de barrido requiere una fuente muy brillante -cuanto más brillante, mejor- que se enfoca en un punto que define la resolución de la imagen. PETRA III es una de las instalaciones de radiación sincrotrón del mundo que es lo suficientemente brillante a altas energías de rayos X como para poder adquirir imágenes de este modo en un tiempo razonable. La técnica podría alcanzar todo su potencial con la proyectada instalación PETRA IV.
Para probar el método, el equipo utilizó como muestras una cianobacteria, una diatomea e incluso un grano de polen recogido directamente fuera del laboratorio ("un espécimen muy local", se ríe Bajt), y logró una resolución de 70 nanómetros para cada una.
Además, en comparación con las imágenes obtenidas de una muestra de polen similar mediante un método convencional de obtención de imágenes por dispersión coherente a una energía de 17 keV, la microscopía de rayos X Compton logró una resolución similar con una dosis de rayos X 2.000 veces menor. "Cuando volvimos a examinar las muestras con un microscopio óptico después del experimento, no pudimos ver ningún rastro del lugar donde el haz había entrado en contacto con ellas", explica, lo que significa que no quedó ningún daño por radiación.
"Estos resultados podrían ser incluso mejores", afirma Chapman. "Lo ideal sería que un experimento como éste utilizara un detector esférico, porque los rayos X que salen de la muestra van en todas las direcciones desde la muestra. En ese sentido, es un poco como un experimento de colisión de física de partículas, en el que necesitas recoger datos en todas las direcciones."
Además, Chapman señaló que la imagen de la cianobacteria carece relativamente de rasgos característicos en comparación con las demás. Sin embargo, los datos indican que a mayor brillo, como el de la actualización prevista de PETRA IV, los orgánulos individuales e incluso las estructuras en tres dimensiones se harían visibles, hasta una resolución de 10 nm sin que los daños fueran un problema. "Realmente, la única limitación de esta técnica no era la naturaleza de la técnica en sí, sino la fuente, es decir, su brillo", afirma Bajt.
Con una fuente más brillante, el método podría utilizarse para obtener imágenes de células o tejidos enteros sin seccionar, como complemento de la criomicroscopía electrónica y la microscopía óptica de superresolución, o para rastrear nanopartículas dentro de una célula, por ejemplo para observar directamente la administración de fármacos. Las características de la dispersión Compton hacen que este método sea ideal también para usos no biológicos, como el examen de la mecánica de carga y descarga de baterías.
"Todavía no hay nada parecido a esta técnica en la literatura", dice Bajt, "así que hay mucho por explorar en el futuro".
En el experimento participaron investigadores del DESY, el CFEL, el grupo de excelencia del Centro de Imágenes Ultrarrápidas de Hamburgo (CUI) de la Universidad de Hamburgo y la Universidad de Lund (Suecia).
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Dose-efficient Scanning Compton X-ray Microscopy; Tang Li, Lukas Dresselhaus, Nikolay Ivanov, Mauro Prasciolu, Holger Fleckenstein, Oleksander Yefanov, Wenhui Zhang, David Pennicard, Ann-Christin Dippel, Olof Gutowski, Pablo Villanueva-Perez, Henry N. Chapman, Saša Bajt; „Light: Science & Applications“, 2023
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