KANAZAWA, Japón 19 de marzo de 2021 / PRNewswire / – Investigadores de la Universidad de Kanazawa informan en Review of Scientific Instruments un informe desarrollado recientemente Enfoque de microscopía de fuerza atómica para obtener imágenes de muestras y procesos biológicos. El método ofrece velocidades de cuadro más altas y menos perturbación de las muestras.
La microscopía de fuerza atómica de alta velocidad (HS-AFM) es una técnica de formación de imágenes que se puede utilizar para visualizar procesos biológicos, por ejemplo, la actividad de proteínas. Hoy en día, las velocidades de cuadro típicas de HS-AFM son tan altas como 12 cuadros por segundo. Sin embargo, para mejorar las capacidades del método, de modo que pueda aplicarse a una gama cada vez mayor de muestras biológicas, se necesitan mejores velocidades de vídeo. Además, los tiempos de grabación más rápidos implican una menor interacción entre la muestra y la sonda, una punta que escanea la superficie de la muestra, lo que hace que el procedimiento de obtención de imágenes sea menos invasivo. Ahora, Shingo Fukuda y Toshio Ando del Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) de la Universidad de Kanazawa han desarrollado un enfoque HS-AFM alternativo para aumentar la velocidad de fotogramas hasta 30 fotogramas por segundo.
Una imagen AFM se genera moviendo lateralmente una punta justo por encima de la superficie de una muestra. Durante este movimiento de exploración xy, la posición de la punta en la dirección perpendicular al plano xy (la coordenada z) seguirá el perfil de altura de la muestra. La variación de la coordenada z de la punta produce un mapa de altura: la imagen de la muestra.
Fukuda y Ando trabajaron en HS-AFM en el llamado modo de modulación de amplitud. A continuación, se hace que la punta oscile con una amplitud establecida. Mientras se escanea una superficie, la amplitud de oscilación cambiará debido a las variaciones de altura en la estructura de la muestra. Para volver a la amplitud original, es necesario realizar una corrección en la distancia punta-muestra. El tamaño que debe tener la corrección está relacionado con la topología de la superficie de la muestra y lo dicta el llamado error de control de retroalimentación de la configuración. Los científicos notaron que el error de control de retroalimentación es diferente cuando la punta se mueve en direcciones opuestas, lo que se denomina rastreo y retroceso. Esta diferencia se debe, en última instancia, a las diferentes fuerzas físicas en juego cuando se 'tira' (trazar) de la punta y cuando se 'empuja' (retroceder).
Basándose en sus conocimientos sobre la física de los procesos de rastreo y rastreo, Fukuda y Ando desarrollaron un régimen de imágenes que evita el rastreo. Esto debe tenerse en cuenta de forma adecuada en el algoritmo de control. Los investigadores probaron su modo de obtención de imágenes de trazas únicas en muestras de filamentos de actina. (La actina es una proteína muy común en las células). Las imágenes no solo fueron más rápidas, sino también menos invasivas: los filamentos se rompieron con mucha menos frecuencia. También registraron procesos de polimerización (a través de interacciones proteína-proteína); nuevamente, se encontró que el método era más rápido y menos perturbador en comparación con la operación estándar de rastreo y rastreo de AFM.
Los científicos confían en que su "método simple y altamente eficaz pronto se instalará en los sistemas HS-AFM existentes y futuros, y mejorará una amplia gama de estudios de imágenes de HS-AFM en biofísica y otros campos".
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https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/wp-content/uploads/2021/03/Fig-1Ando.jpg
Leyenda de la Figura 1: Diferencia de invasividad entre los procesos de rastreo de rastreo y rastreo.
(a) Escaneo de trama: escaneo de rastreo (línea roja) y escaneo de retroceso (línea azul) de la etapa de muestra,
(b) direcciones de escaneo de la punta en relación con la muestra en los procesos de escaneo de rastreo y retroceso,
(c) diferencia en el error de control de retroalimentación entre los procesos de rastreo de rastreo y retroceso. Imágenes de error del filamento de actina orientadas casi a lo largo del eje Y (arriba) y el perfil de error (abajo),
(d, e) diferencia en las direcciones de los momentos de torsión producidos por las fuerzas laterales y verticales ejercidas sobre el voladizo desde la muestra durante los procesos de escaneo de traza (d) y retroceso (e),
(f, g) Imágenes HS-AFM de filamentos de actina capturadas a 10 fps en los modos OTI (f) y ORI (g). En el modo ORI, los filamentos de actina se rompieron rápidamente.
https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/wp-content/uploads/2021/03/Fig-2Ando.jpg
Figura 2. El circuito instalado para el modo OTI y su funcionamiento.
(a) Durante la exploración de retroceso, se añade una señal de desplazamiento de CC ( A os <0) a la señal de amplitud ( A ). El control de retroalimentación funciona como si la sonda estuviera en fuerte contacto con la muestra y, por lo tanto, la platina de la muestra se aleja de la punta.
(b) Señal de activación para el escáner X en el modo OTI (arriba), señal de compensación de CC agregada a la señal de amplitud verdadera (centro) y desplazamiento del escáner Z (abajo).
Referencia
Shingo Fukuda y Toshio Ando . Microscopía de fuerza atómica de alta velocidad más rápida para la obtención de imágenes de procesos biomoleculares, Rev. Sci. Instrum. 92 033705 (2021).
DOI: 10.1063 / 5.0032948
URL: https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0032948
Acerca de WPI nanoLSI Kanazawa University
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Acerca del Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI)
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Nano Life Science Institute (NanoLSI) de la Universidad de Kanazawa es un centro de investigación establecido en 2017 como parte de la Iniciativa del Centro de Investigación Internacional Premier Mundial del Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología. El objetivo de esta iniciativa es formar centros de investigación de nivel mundial. NanoLSI combina el conocimiento más avanzado de la microscopía de sonda de bio-barrido para establecer 'técnicas nanoendoscópicas' para obtener imágenes, analizar y manipular biomoléculas directamente para comprender los mecanismos que gobiernan los fenómenos de la vida como las enfermedades.
Acerca de la Universidad de Kanazawa
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Como la universidad integral líder en la costa del Mar de Japón la Universidad de Kanazawa ha contribuido enormemente a la educación superior y la investigación académica en Japón desde su fundación en 1949. tres facultades y 17 escuelas que ofrecen cursos en materias que incluyen medicina, ingeniería informática y humanidades.
La Universidad está ubicada en la costa del Mar de Japón en Kanazawa – una ciudad rica en historia y cultura. La ciudad de Kanazawa tiene un perfil intelectual muy respetado desde la época del feudo (1598-1867). La Universidad de Kanazawa está dividida en dos campus principales: Kakuma y Takaramachi para sus aproximadamente 10.200 estudiantes, incluidos 600 del extranjero.
FUENTE Kanazawa University
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