Cercetătorii transformă celulele vii în lasere minuscule

În ultimele decenii, laserele au devenit o parte importantă din viața noastră, aplicaţiile acestora variind de la indicatoare cu laser și CD playere până la aplicaţii din sectorul medical şi al cercetării. Laserele sunt caracterizate de o direcție de propagare foarte bine definită și de o bandă foarte îngustă de frecvențe. De obicei ne imaginăm laserul ca pe un dispozitiv electric pe care îl putem ține în mâinile noastre sau ca pe o cutie mare aflată în mijlocul unui laborator de cercetare.

Laserele de culoare verde lumineaza în interiorul celulelor. Credit: Matjaž Humar și Seok Hyun Yun, CC BY-ND

De asemenea, coloranţii fluorescenţi au devenit un lucru obişnuit, aceștia fiind utilizaţi în cercetare şi diagnoză pentru identificarea anumitor tipuri de celule şi ţesuturi. Prin iluminarea unui colorant fluorescent, acesta emite lumină cu o anumită culoare specifică. Culoarea şi intensitatea acesteia sunt utilizate pentru a se măsura, de exemplu, concentrațiile unor compuși chimici cum ar fi ADN-ul și proteinele sau pentru etichetarea celulelor. Dezavantajul utilizării coloranţilor fluorescenţi este acela că în acest mod pot fi distinse doar câteva zeci de culori.

Utilizând două tehnologii diferite, cercetătorii ştiu că dacă adaugă un colorant într-o cavitate optică, un dispozitiv care confinează lumina, cum ar fi două oglinzi, pot crea un laser.

Prin cercetarea noastră, descrisă în revista Nature Photonics, am arătat că putem crea un laser în miniatură, într-o singură celulă vie, care poate emite lumină.

Lasere mici, mici

Noi am realizat laserele din bile solide de polistiren de zece ori mai mici decât diametrul unui fir de păr uman. Bilele conţin un colorant fluorescent şi suprafaţa bilelor confinează lumina, creând o cavitate optică. Am adăugat aceste bile laser într-o cultură de celule vii care mănâncă laserele în câteva ore. După aceea, noi putem activa laserele prin iluminarea lor cu o lumină externă fără a face niciun rău celulelor.

În continuare am captat lumina emisă de celule prin intermediul unui spectrometru şi am analizat spectrul acesteia. Laserele pot acţiona ca nişte senzori foarte sensibili, ceea ce ne permite să înţelegem mult mai bine procesele celulare. De exemplu, am măsurat variaţiile indicelui de refracție, adică modul prin care lumina se propagă prin celulă, în timp ce am variat concentraţia de sare din mediul aflat în jurul celulelor. Indicele de refracție depinde de concentraţia constituenţilor chimici din interiorul celulelor, precum ar fi ADN-ul, proteinele şi lipidele.

Mai mult, aceste lasere pot fi folosite pentru etichetarea celulelor. Fiecare laser aflat într-o celulă emite lumină cu o semnătură specifică uşor diferită care poate fi ușor detectată și utilizată ca un cod de bare pentru a eticheta celula. Din moment ce un laser are o emisie spectrală într-un domeniu foarte îngust de frecvenţe, un număr foarte mare de coduri unice de bare pot fi produse în acest fel, ceea ce înainte era imposibil.

Printr-un design atent al acestor lasere ar putea fi etichetate în mod unic până la un trilion de celule (1.000.000.000.000). Acest număr este comparabil cu numărul total de celule din corpul uman. Deci, în principiu, s-ar putea eticheta şi urmări, în mod individual, fiecare celulă din corpul uman. Această tehnică reprezintă un progres imens în ceea ce priveşte metodele de etichetare a celulelor. Metodele utilizate până în prezent pot eticheta doar câteva sute de celule. Până acum noi am etichetat numai celule din vase Petri, dar nu există niciun motiv pentru care metoda noastră să nu funcționeze, de asemenea, pentru celulele dintr-un organism viu.

Celule de culoare verde injectate cu picături de ulei care acționează ca lasere. Credit: Matjaž Humar și Seok Hyun Yun, CC BY-ND

Materiale alternative pentru laserele celulare

În loc de o bilă solidă, noi am utilizat, de asemenea, o picătură de ulei ca un laser în interiorul celulelor. Cu ajutorul unei micropipete am injectat o mică picătură de ulei care conține colorant fluorescent într-o celulă. Spre deosebire de bilele solide utilizate anterior, forțele care acționează în interiorul celulelor pot deforma picăturile de ulei. Prin analiza luminii emise de laserul picătură putem măsura deformarea picăturii și putem calcula forța care acționează asupra acesteia. Aceasta este o modalitate foarte bună de a obține informaţii foarte exacte despre diferitele tipuri de forţe mecanice care se exercită în interiorul celulelor datorită unor procese precum ar fi migrația celulară și diviziunea celulară.

Celulele adipoase de culoare galbenă pot fi utilizate ca lasere naturale. Credit: Matjaž Humar și Seok Hyun Yun, CC BY-ND

În cele din urmă, ne-am dat seama că celulele adipoase conţin deja picături de lipide care pot lucra ca nişte lasere naturale. Ele nu au nevoie să mănânce sau să fie injectate cu lasere, ci trebuie doar să primească un colorant fluorescent netoxic. Aceasta înseamnă că fiecare dintre noi are deja milioane de lasere în interiorul țesutului adipos care așteaptă doar să fie activate pentru a produce raze laser. Data viitoare când vă propuneți să slăbiţi, puteți să vă gândiți la grăsime ca la un număr foarte mare de lasere minuscule.

Introducerea unei fibre optice pentru extragerea luminii laser. Credit: Matjaž Humar și Seok Hyun Yun, CC BY-ND

Noua noastră tehnologie laser ne va ajuta să înţelegem procesele celulare şi să îmbunătăţim diagnosticul medical şi terapiile. În acest fel celulele laser ne-ar putea asigura o metodă de teledetecţie în interiorul corpului uman și astfel s-ar putea elimina prelevarea de probe. O celulă este o maşină inteligentă, dotată cu un calculator ce conţine un „ADN în interior”. Celulele specializate, precum celulele sistemului imunitar, pot identifica agenţii patogeni şi locul unde se află aceştia şi pot conduce laserul către ţintă pentru stabilirea unui diagnostic şi a unor terapii bazate pe tehnologia laser.

Imaginați-vă, în locul unei biopsii pentru un nodul pe care medicii îl suspectează a fi cauzat de cancer, laserele celulare ne-ar putea ajuta să determinăm din ce fel de celule este compus nodulul respectiv. Laserele celulare ar putea fi utilizate pentru terapii, cum ar fi, de exemplu, activarea unui medicament fotosensibil într-un anumit loc pentru a ucide microbii sau celulele canceroase.

Traducere şi adaptare după We transformed living cells into tiny lasers