Para peneliti telah mengembangkan metode pencitraan baru, berdasarkan penggunaan kamera foton tunggal, yang dapat menjadi ciri ribuan molekul dengan cepat dan bersamaan.
Metode baru, yang terinspirasi oleh teknik pencitraan yang telah ada selama 35 tahun, melakukan pengukuran ultraprecise dari tanda tangan unik-emisi unik molekul pada skala sepersekian detik. Ini menggunakan kamera dioda longsor photon tunggal (SPAD) yang terdiri dari hampir satu juta sensor kecil yang masing-masing dapat mendeteksi foton. Data dianalisis untuk menentukan masa pakai fluoresensi molekul – atau penundaan yang sangat singkat antara pulsa laser eksitasi dan fluoresensi yang dipancarkan oleh molekul – dan kemudian molekul individu dalam sampel ditandai dengan akurasi yang mengesankan. Metode ini dikembangkan di EPFL oleh laboratorium biologi skala nano (lben) yang berkaitan dengan laboratorium arsitektur kuantum canggih (AQUA), menggunakan kamera yang dikembangkan oleh teknologi pencitraan PI spin-off EPFL. Ini menandai langkah pertama menuju prosedur pencitraan yang memungkinkan para ilmuwan untuk mempelajari perilaku molekul spesifik dalam sampel besar.
Metode yang lebih cepat memungkinkan analisis cepat sampel protein besar
Tidak seperti metode pencitraan konvensional, yang dikembangkan oleh lben mendeteksi molekul pada titik waktu tertentu segera setelah mereka mengalami pulsa eksitasi, dengan resolusi skala picosecond. Ini melibatkan menangkap serangkaian gambar yang bergantian: satu segera setelah eksitasi dan kemudian satu lagi beberapa nanodetik kemudian. Gambar dianalisis untuk menentukan seumur hidup fluoresensi molekul. Dengan kamera SPAD, para ilmuwan dapat memperoleh informasi yang tepat tentang ribuan molekul dalam waktu kurang dari satu menit – sebagai lawan dari jam yang dibutuhkan oleh teknik yang ada. “Metode kami sedikit kurang akurat daripada yang konvensional tetapi lebih cepat dan dapat mendeteksi jumlah molekul yang belum pernah terjadi sebelumnya sekaligus,” kata Prof. Aleksandra Radenovic di lben. Kecepatan yang lebih besar ini dapat memungkinkan analisis cepat sampel protein besar.
Kerja tim di antara kelompok penelitian adalah kuncinya
“Penelitian kami sedang didukung oleh Pusat Pencitraan EPFL dan Program Penelitian Nasional Swiss,” kata Radenovic. “Itu dimungkinkan berkat konvergensi tepat waktu dari teknologi baru. Kami telah bekerja dengan Edoardo Charbon dan timnya di Aqua selama lebih dari sepuluh tahun, dan dana yang kami terima sekarang membiarkan kami mengubah ide -ide kami menjadi hasil yang nyata.”
Untuk merancang metode canggih, para ahli dalam deteksi molekul tunggal bekerja erat dengan insinyur yang berspesialisasi dalam pengembangan kamera. “Misalnya, frekuensi kamera asli menangkap gambar tidak cocok dengan kecepatan pulsa laser,” kata Nathan Ronceray, seorang ilmuwan lben. “Tapi kolega kami di Aqua dan para insinyur di PI Imaging bergerak cepat untuk menyesuaikan perangkat.” Hasil tim yang menjanjikan juga dapat menguntungkan pencitraan PI, mengingat bahwa kunci keberhasilan teknologi di pasar ceruk seringkali merupakan R&D bersama dengan laboratorium universitas. “Kami juga bekerja dengan Laboratorium EPFL untuk pemodelan biomolekul, dipimpin oleh Matteo dal Peraro, dan kelompok penelitian yang dipimpin oleh Guillermo Acuna di University of Friborg. Mereka masing -masing mempelajari protein membran dan DNA origami,” kata Ronceray.
Dengan cepat menunjukkan posisi relatif molekul
Setelah metode baru para peneliti terbukti efektif, mereka mulai mengeksplorasi aplikasi lain – mendeteksi jarak antar molekul. Mereka menciptakan teknik berdasarkan Transfer Energi Resonansi Förster (FRET). Itu mengacu pada mekanisme di mana molekul fluoresensi dari molekul “donor” berubah jika molekul “akseptor” berada di dekatnya.
“Mengukur masa pakai fluoresensi dari sepasang molekul memberikan informasi tentang jarak di antara mereka pada skala hanya beberapa nanometer,” kata Ronceray. “Pendekatan saat ini hanya dapat diterapkan pada sampel kecil, tetapi sistem kami dapat memperluasnya untuk memungkinkan studi cepat fenomena dinamis pada ribuan molekul.”
Temuan tim membuka jalan baru yang menarik di berbagai bidang sains dan teknologi. “Seperti halnya teknik apa pun, sulit untuk memprediksi potensi penuhnya: mungkin hanya akan dibatasi oleh imajinasi,” Radenovic menunjukkan. “Satu arah yang menjanjikan adalah potensinya untuk meningkatkan analisis multiplexed, yaitu untuk mengukur beberapa parameter secara bersamaan dalam satu sampel. Ini kemungkinan berguna di bidang seperti transkriptomik spasial, yang bertujuan untuk mengukur ekspresi gen dalam jaringan sambil mempertahankan informasi spasial: lokasi yang tepat dari sel atau struktur di jaringan.” Dengan memungkinkan pembacaan simultan dari banyak spesies molekuler sepanjang hidup, metode ini dapat berfungsi sebagai pelengkap yang kuat untuk alat omics resolusi tinggi yang muncul, yang digunakan untuk mempelajari berbagai lapisan biologis suatu organisme dengan cara yang komprehensif dan sistematis, seringkali pada skala seluler atau molekuler.
Referensi
Pencitraan seumur hidup fluoresensi bidang lebar dari singlemolecules dengan kamera phon tunggal yang terjaga keamanannya. Nathan Ronceray, Salim Bennani, Mariana Fanouria Mitsioni, Nicole Siegel, Maria J. Marcaida, Claudio Bruschini, Edoardo Chabon, Rahul Roy, Matteo Dal Peraro, Guillermo P. Acuna dan Aleksandra Radenovic. Sains & Aplikasi (2025). Doi: 10.1038/s41377-025-01901-2
