Singola cellula produce impulso laser

I ricercatori del Wellman Center for Photomedicine al Massachusetts General Hospital hanno recentemente sviluppato un laser biologico, un fascio di luce coerente prodotto a partire da una singola cellula vivente. Sembra fantascienza, ma questo nuovo metodo si spinge ben oltre i tradizionali sistemi di produzione di luce laser.
Il laser biologico non sarà (per ora) in grado di tagliare una lamiera, ma potrebbe tornare utile in futuro per una svariata gamma di situazioni. "Uno dei nostri obiettivi sul lungo termine" spiega Malte Gather, uno degli autori della ricerca, "sarà quello di trovare un sistema per portare le comunicazioni ottiche, attualmente funzionanti tramite apparecchiature elettroniche inanimate, nel regno della biotecnologia. Sarebbe particolarmente utile in progetti che necessitano di interfacciare elettonica con organismi biologici. Speriamo inoltre di essere in grado di impiantare una struttura equivalente al laser all'interno di una cellula, sarà il prossimo passo in questa ricerca".
Un laser non è altro che un dispositivo in grado di emettere luce coerente, monocromatica e molto luminosa. Il suo funzionamento, almeno sulla carta, è relativamente semplice: un mezzo ottico (un materiale in grado di amplificare la luce) viene stimolato all'interno di una cavità ottica, un tubo alle cui estremità sono stati posti due specchi secondo una configurazione tale da costringere la luce a rimbalzare diverse volte da un lato all'altro della cavità, fino a quando l'energia accumulata dalla luce non è tale da riuscire a sfuggire dallo specchio semitrasparente.
Attualmente non esiste in natura alcun organismo biologico in grado di riprodurre questo fenomeno. La realizzazione di un laser comporta l'utilizzo di soli materiali inorganici, specialmente se si parla del mezzo attivo, generalmente composto da gas (come elio o neon), cristalli (rubino, zaffiro) o metalli.
"Da quando fu sviluppato il primo 50 anni fa, i laser hanno sempre utilizzato materiali come cristalli, coloranti o gas purificati come mezzo ottico entro il quale gli impulsi di fotoni potessero essere amplificati e rimbalzare avanti e indietro tra i due specchi" spiega Seok Hyun, co-autore della ricerca. "Il nostro è il primo resoconto di un laser biologico funzionante basato su una singola cellula vivente".
Per creare il primo esemplare di questa nuova generazione di laser, i ricercatori hanno sfruttato una proteina espressa nella medusa Aequorea victoria, la GFP (Green Fluorescent Protein), che se colpita da luce di una specifica lunghezza d'onda è in grado di emettere luce verde.
La proteina non ha nulla di misterioso per la scienza, e viene comunemenete utilizzata per la sperimentazione genetica in molti organismi, ma il suo impiego per la produzione di luce laser non era mai stato ipotizzato in precedenza.
I ricercatori hanno modificato alcune cellule di mammiferi rendendole in grado di esprimere questa particolare proteina. Una sola cellula è stata posta in una microcavità ottica composta da due minuscoli specchi, distanziati l'uno dall'altro di soli 20 milionesimi di metro.
La cellula si è dimostrata in grado non solo di produrre brevi impulsi di luce laser, ma anche di amplificare la luce emessa tramite la sua forma sferica e di sopravvivere al processo, emettendo centinaia di impulsi di luce laser.
"Anche se i singoli impulsi laser sono durati solo per pochi nanosecondi, erano sufficientemente luminosi da poter essere rilevati facilmente, e sembrano trasportare informazioni molto preziose che potrebbero indicarci nuovi metodi per analizzare quasi istantaneamente le proprietà di grandi gruppi di cellule" dice Yun. "E l'abilità di generare luce laser da una sorgente biocompatibile all'interno di un paziente potrebbe risultare utile per le terapie fotodinamiche, in cui i farmaci vengono attivati dall'applicazione della luce".
Single Green Fluorescent Protein-expressing cell is basis of living laser device