Entrare in una cellula viva per carpirne i segreti più intimi non è più fantascienza. Basta avere il microscopio giusto, come quello sviluppato da alcuni scienziati australiani, che sfrutta le leggi della meccanica quantistica.
A prima vista potrebbe sembrare un flipper, ma è uno dei microscopi più potenti del mondo. Gli scienziati australiani che l’hanno costruito, provenienti dall’Università del Queensland e dall’Australian National University, sono molto fieri della loro creatura, che ha conquistato le pagine elettroniche di Nature Photonics. Si chiama microscopio quantico e la sua precisione supera di gran lunga quella dei microscopi convenzionali.
Un microscopio sulle spalle di giganti
Anche se rappresenta l’avanguardia tecnologica, i principi fisici su cui si basa, quelli della meccanica quantistica, risalgono a oltre un secolo fa. La teoria dei quanti fu infatti ideata nel 1901 dal grande fisico tedesco Max Planck e rappresenta ancora oggi uno dei pilastri della fisica contemporanea, insieme alla teoria della relatività di Albert Einstein. Valse a Planck il premio Nobel per la fisica nel 1918, ma soprattutto mandò in pensione la meccanica classica, ormai incapace di descrivere il comportamento della materia e della radiazione elettromagnetica a livello microscopico. A renderla così rivoluzionaria era il concetto che gli atomi assorbono ed emettono radiazioni in modo discontinuo, per quantità di energia finite, discrete e indivisibili, dette quanti. Tra le sue maggiori implicazioni c’è la duplice natura, corpuscolare e ondulatoria, delle particelle elementari - il cosiddetto dualismo onda-particella - che tanto infastidiva Einstein.
Il microscopio quantico con i suoi padri: Vincent Daris, Hans Bachor, Jiri Janousek, Michael Taylor e Joachim Knittel (immagine: Australian National University)
«Questo microscopio quantico rappresenta un passo pionieristico verso le applicazioni della fisica quantistica nella tecnologia», ha detto Warwick Bowen, leader del gruppo e professore associato del Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems dell’Università del Queensland.
Per la prima volta, infatti, le interazioni quantistiche tra i fotoni della luce sono state sfruttate per ottenere misure accurate del mondo reale.
Le possibili applicazioni sono tantissime e spaziano dalla fisica alla biologia. Nella fisica fondamentale, per esempio, il nuovo microscopio potrebbe far luce su fenomeni legati al moto microscopico di piccole particelle, che sono stati previsti molti decenni fa ma che nessuno, finora, è riuscito a osservare. Un banco di prova, in definitiva, anche per la meccanica quantistica, che potrebbe così essere testata a livello microscopico.
Dentro la cellula
È in campo biologico, però, che il microscopio quantico promette di dare il meglio di sé, portando a una migliore comprensione dei componenti di base della vita. Nello studio, i ricercatori l’hanno usato per eseguire esperimenti di microreologia sul citoplasma di cellule del lievito di birra Saccharomyces cerevisiae. La microreologia è una tecnica che studia le proprietà di un mezzo, come la sua microviscosità, misurando la traiettoria di microscopiche particelle contenute al suo interno. In questo caso, i granuli di lipidi naturalmente presenti sono stati tracciati in tempo reale, mentre si diffondevano attraverso il citoplasma, a una velocità del 64% superiore a quella consentita dai microscopi convenzionali.
Cellule del lievito Saccharomyces cerevisiae osservate al microscopio a contrasto interferenziale (immagine: Wikimedia Commons)
La misurazioni biologiche dinamiche (eseguite cioè su cellule vive) richiedono bassi livelli di luce per evitare di danneggiare il campione. «Purtroppo, i campioni biologici si cuociono quando si aumenta troppo la potenza ottica», ha dichiarato Michael Taylor, primo autore dello studio. Questo vincolo, però, limita sostanzialmente la sensibilità delle misure, perché in genere serve un sacco di luce per rendere visibili i più piccoli dettagli cellulari. Per superare il problema, i ricercatori hanno utilizzato correlazioni quantistiche per estrarre più informazioni da ogni fotone.
«Il microscopio quantico, in altre parole, fornisce una soluzione per migliorare la sensibilità delle misurazioni senza aumentare il rischio di danni ottici al campione», ha detto Taylor.
Le misure effettuate dai ricercatori potranno aiutare a comprendere meglio il ciclo vitale di una cellula, dal momento che il citoplasma gioca un ruolo chiave nel trasferire sostanze nutritive al suo interno e intorno a essa.