Mikroskop Inframerah Terbaru Harapan Bagi Penelitian Penyakit Menular

Kemampuan melihat sampel dengan lebih jelas pada skala yang lebih kecil dengan bantuan mikroskop dapat membantu berbagai bidang penelitian terkait materi yang berhubungan dengan penyakit menular dengan lebih baik seperti virus, protein, molekul.

Alam dalam skala mikroskopis adalah tempat tinggal virus, protein, dan molekul. Berkat mikroskop modern, para ilmuwan dapat menjelajah ke bawah untuk melihat cara kerja sel. Namun alat yang mengesankan ini pun memiliki keterbatasan. Misalnya, mikroskop fluoresen resolusi super memerlukan spesimen diberi label fluoresensi.

Hal ini terkadang dapat menjadi racun bagi sampel dan paparan cahaya yang berkepanjangan saat melihat, dapat memutihkan sampel sehingga tidak lagi berguna. Mikroskop elektron juga dapat memberikan detail yang sangat mengesankan, namun sampel harus ditempatkan dalam ruang hampa sehingga sampel hidup tidak dapat dipelajari.

Salah satu kelemahan dari mikroskop inframerah-tengah (mid-infrared microscopy) biasanya dibatasi oleh resolusinya yang rendah terutama jika dibandingkan dengan teknik mikroskop lainnya. Oleh karena itu, para peneliti di Universitas Tokyo telah mengembangkan mikroskop inframerah-tengah yang canggih.

Teknologi yang diciptakan memungkinkan mereka melihat struktur di dalam bakteri hidup pada skala nanometer. Perkembangan terbaru dari penemuan mereka mampu menghasilkan gambar pada 120 nanometer. Hasil pencitraan tersebut menurut para peneliti merupakan peningkatan 30 kali lipat pada resolusi mikroskop inframerah-tengah pada umumnya.

Kemampuan melihat sampel dengan lebih jelas pada skala yang lebih kecil dapat membantu berbagai bidang penelitian. Hal ini membuka jalan bagi pengembangan pencitraan berbasis inframerah-tengah yang lebih akurat di masa depan. Beberapa bidang yang bisa terbantu dengan mikroskop tersebut antara lain terkait dengan penyakit menular.

Mikroskop inframerah-tengah memiliki beberapa keuntungan. Sebagai perbandingan, mikroskop ini dapat memberi informasi kimia dan struktur tentang sel hidup tanpa perlu mewarnai atau merusaknya. Namun penggunaannya masih terbatas dalam penelitian biologi karena kemampuan resolusinya yang relatif rendah.

Meskipun mikroskop fluoresen resolusi super dapat mempersempit gambar hingga puluhan nanometer (1 nanometer sama dengan sepersejuta milimeter), mikroskop inframerah menengah biasanya hanya dapat mencapai sekitar 3 mikron (1 mikron sama dengan seperseribu milimeter).

Namun, dalam sebuah terobosan baru pada mikroskop inframerah tangah, para peneliti di Universitas Tokyo telah mencapai resolusi mikroskop inframerah-tengah yang lebih tinggi dibandingkan sebelumnya.

"Kami mencapai resolusi spasial 120 nanometer, yaitu 0,12 mikron. Resolusi luar biasa ini kira-kira 30 kali lebih baik dibandingkan mikroskop inframerah-tengah konvensional," jelas Profesor Takuro Ideguchi dari Institut Sains dan Teknologi Foton di Universitas Tokyo.

Dalam pengembangannya, tim menggunakan "bukaan sintetis" (synthetic aperture), sebuah teknik yang menggabungkan beberapa gambar yang diambil dari sudut pencahayaan berbeda untuk menghasilkan gambar keseluruhan yang lebih jelas.

Biasanya, sampel diapit di antara dua lensa. Namun, lensa tersebut secara tidak sengaja menyerap sebagian cahaya inframerah tengah. Untuk mengatasi masalah ini, mereka menempatkan sampel, bakteri (E coli dan Rhodococcus jostii RHA1 digunakan), pada pelat silikon yang memantulkan cahaya tampak dan mentransmisikan cahaya inframerah.

Dengan cara tersebut memungkinkan para peneliti untuk menggunakan satu lensa, dan memungkinkan mereka menerangi sampel dengan lebih baik dengan cahaya inframerah-tengah dan mendapatkan gambar yang lebih detail.

"Kami terkejut melihat betapa jelasnya kami dapat mengamati struktur intraseluler bakteri. Resolusi spasial yang tinggi pada mikroskop kami memungkinkan kami mempelajari, misalnya, resistensi antimikroba, yang merupakan masalah di seluruh dunia," kata Ideguchi.

"Kami yakin kami bisa terus meningkatkan teknik ke berbagai arah. Jika kita menggunakan lensa yang lebih baik dan panjang gelombang cahaya tampak yang lebih pendek, resolusi spasialnya bahkan bisa berada di bawah 100 nanometer. Dengan kejelasan yang luar biasa, kami ingin mempelajari berbagai sampel sel untuk mengatasi masalah biomedis mendasar dan terapan," ungkap dia.

Teknik baru dirancang untuk meningkatkan penelitian mengenai perilaku bakteri dan penyakit menular. Universitas Tokyo sendiri sejak lama memiliki sebuah proyek untuk mengembangkan platform mikroskop inframerah-tengah yang menawarkan gambaran yang lebih baik tentang struktur di dalam bakteri hidup.

Alternatif yang Menjanjikan

Dijelaskan dalam Nature Photonics bahwa nanoscope baru ini diharapkan dapat membantu penelitian penyakit menular serta membuka jalur menuju pencitraan inframerah-tengah yang lebih akurat di bidang lain. Untuk itu, sejumlah metode resolusi tinggi atau resolusi super telah diterapkan pada pencitraan bakteri hidup. Tujuannya untuk lebih memahami lingkungan seluler kompleks di dalamnya dan cara perilaku protein individu dalam bakteri.

Contohnya termasuk kombinasi mikroskop fluoresensi resolusi super dan tomografi elektron kriogenik (CET) yang dikembangkan oleh Universitas Stanford pada 2020, yang dimaksudkan untuk menggambarkan biomolekul yang diinginkan dalam lingkungan selulernya dan digambarkan sebagai "lompatan besar bagi biologi" pada saat itu.

Namun, mikroskop fluoresen resolusi super memerlukan penggunaan molekul label tambahan, sehingga menimbulkan potensi masalah toksisitas dan paparan cahaya yang berkepanjangan. Teknik inframerah-tengah merupakan alternatif yang menjanjikan, namun biasanya terbatas pada resolusi pencitraan yang relatif rendah.

Solusi proyek Universitas Tokyo melibatkan peningkatan resolusi platform mid-IR menggunakan bukaan sintetis, sebuah teknik yang menggabungkan beberapa gambar yang diambil dari sudut pencahayaan berbeda untuk menciptakan gambar keseluruhan yang lebih jelas dan melakukannya menggunakan satu lensa daripada mengapit sampel di antara dua lensa.

Arsitektur ini memungkinkan sampel bakteri yang diinginkan ditempatkan pada pelat silikon, yang memantulkan cahaya tampak dan mentransmisikan cahaya inframerah hanya dengan satu lensa dalam sistem.

"Pendekatan lensa tunggal yang dikombinasikan dengan pencitraan fase kuantitatif merupakan implementasi optimal pencitraan fototermal IR pertengahan bidang lebar untuk mencapai resolusi spasial yang tinggi," ungkap proyek tersebut dalam makalah yang diterbitkannya.

Dalam uji coba yang menggunakan bakteri E coli dan Rhodococcus jostii RHA1, platform ini memang mampu meningkatkan resolusi struktur internal bakteri secara signifikan.

Perkembangan masa depan dari pendekatan yang sama seperti penggunaan panjang gelombang tampak yang lebih pendek dan/atau bukaan numerik obyektif yang lebih tinggi, dapat memungkinkan perangkat mencapai resolusi spasial di bawah 100 nanometer, yang akan membuka jalan bagi nanoskopik bidang lebar IR menengah sebagai alat yang lebih umum dalam pencitraan biologis.

Resolusi dalam rentang tersebut akan membantu para peneliti untuk memahami resistensi antimikroba dalam mengatasi tantangan kesehatan global yang besar. hay/I-1