بیگ بنگ: پژوهشگران دانشگاه کلمبیا، یک پلت‌فرم میکروسکوپی نوری جدید به نام “میکروسکوپ انتشاری رامان از طریق تحریک پیش رزونانسی الکترونیکی (epr-SRS)” را به گونه‌ای توسعه داده‌اند که دارای حساسیت و انتخاب‌پذیری بسیار بالایی می‌باشد.

به گزارش بیگ بنگ، این تکنیک خلاقانه، قابلیت عکسبرداری میکروسکوپی از 24 ساختار بیومولکولی را به طور همزمان دارد؛ این درحالیست که پیش از این، عکسبرداری میکروسکوپی فقط به عکس گرفتن از پنج پروتئین فلورسنت به صورت همزمان محدود می‌شد. پژوهشگران در دانشگاه کلمبیا، گام مهمی به سمت تغییر دادن روش‌های قدیمی برداشته‌اند که اصلی‌ترین آن‌ها، شکستن کدهای رنگی قدیمی در عکسبرداری نوری از سیستم‌های بیولوژیکی است. آن‌ها همچنین سیستمی را در دسترس دیگران قرار دادند که می‌تواند به طور جامع‌تر و انتخاب‌پذیرتری از تعداد بیشتری بیومولکول در سلول‌ها و بافت‌های زنده عکسبرداری کند. پیشرفت این سیستم، پتانسیل استفاده در عملکردهای بیشتری را در آینده را دارد، از جمله کمک به توسعه‌ی روش‌های درمانی برای بیماری‌های مختلف.

در مقاله‌ای که در 19 آوریل در مجله‌ی Nature منتشر شد، تیمی به سرپرستی پروفسور شیمیدان وین مین گزارش دادند که یک پلت‌فرم میکروسکوپی نوری جدید با حساسیت بسیار بالاتری در ردیابی و شناسایی مولکول‌ها اختراع کرده‌اند. در این مقاله آمده است که این دستگاه در صورت جفت شدن با ابزارهای موجود، قادر به خلق مولکول‌های جدید برای ایجاد قابلیت برچسب زدن و عکسبرداری همزمان از بیش از 24 بیومولکول خاص خواهد بود؛ و این مقدار، پنج برابر بیشتر است از تعداد بیومولکول‌هایی که تاکنون با استفاده از تکنولوژی‌های موجود به صورت همزمان عکسبرداری شده‌اند.

پروفسور مین درین باره گفته است:« بزرگترین چالش حال حاضر میکروسکوپ‌های نوری در رابطه با سیستم‌های بیولوژیکی، چگونگی عکس گرفتن از تعداد زیادی گونه‌ی مولکولی موجود درون سلول‌ها، به صورت همزمان و با حساسیت و انتخاب‌پذیری بالا می‌باشد. چیزی که تحقیقات و یافته‌های ما را جدید و منحصر به فرد می‌کند این است که در این سیستم دو قطعه‌ی کاملا مجزا، یعنی دستگاه‎ها و مولکول‌ها، برای مبارزه با این مانع قدیمی با یکدیگر همکاری می‌کنند. این پلت‌فرم، می‌تواند سیستم‌های پیچیده‌ی بیولوژیکی را ترجمه کرده و فهمیدن آن‌ها را ساده‌تر کند. چند نمونه‌ از این سیستم‌های پیچیده عبارتند از: نقشه‌ی پهناور سلول‌های انسان، الگوهای متابولیکی، عملکرد ساختارهای گوناگون موجود در مغز، شرایط محیط داخلی تومورها و نحوه‌ی مونتاژ شدن ابرمولکول‌ها. و این‌ موارد فقط چند نام از تعداد بیشماری سیستم می‌باشد.»

تمام روش‌های موجود برای مشاهده‌ی ساختارهای گوناگون موجود در سلول‌ها و بافت‌های زنده، قدرت خود را دارند اما دارای محدودیت‌های بنیادین نیز هستند که یکی از اصلی‌ترین این محدودیت‌ها، “سیستم کدهای رنگی” می‌باشد.

به عنوان مثال، میکروسکوپ فلورسنت که حساسیت بسیار بالایی دارد و استفاده از آن، یک تکنیک رایج در آزمایشگاه‌های زیست‌شناسی می‌باشد، با استفاده از پروتئین‌های فلورسنت که معمولا به پنج رنگ دیده می‌شوند به دانشمندان این امکان را می‌دهد که فرآیندهایی که در سیستم‌های زنده رخ می‌دهد را پایش کنند. هرکدام از این 5 پروتئین فلورسنت، یک ساختار هدف دارند که معمولا با یک رنگ خاص دیده می‌شود و می‌تواند به عنوان یک علامت شناسایی مورد توجه قرار گیرد. این ساختارها یا رنگ‌های هدف عبارتند از: BFP (پروتئین فلورسنت آبی)، ECFP (پروتئین فلورسنت فیروزه‌ای)، GFP (پروتئین فلورسنت سبز)، Mvenus (پروتئین فلورسنت زرد) و DsRed (پروتئین فلورسنت قرمز).

میکروسکوپ‌های فلورسنت با وجود تمام قدرتی که دارند اما به خاطر استفاده از کدهای رنگی، باعث ایجاد محدودیت در کار پژوهشگران برای مطالعه‌ی همزمان ساختارها می‌شوند. زیرا پروتئین‌های فلورسنت می‌توانند فقط 5 گروه رنگی را منتشر کنند و در نتیجه پژوهشگران فقط قادر به مطالعه‌ی همزمان 5 ساختار خواهند بود.

به عنوان مثال، اگر پژوهشگری در تلاش برای مشاهده‌ی تمامی ساختارها و انواع مختلف سلول‌های موجود در نمونه بافت تومور مغزی باشد، به دیدن فقط 5 ساختار به صورت همزمان محدود خواهد شد؛ و اگر بخواهد تعداد بیشتری از ساختارهای موجود در آن بافت را ببیند بایستی به ترتیب برچسب‌های فلورسنت را در مکان‌های مختلفی بگذارد و در هر مشاهده یک گروه پنج تایی از ساختارها را ببیند. در واقع این پژوهشگر مجبور خواهد بود فرآیند متمایز کردن بافت از برچسب‌های فلورسنت و نصب مجدد آن در نقاط مختلف را برای هر ست پنج تایی از ساختارهایی که می‌خواهد مورد مطالعه قرار دهد، تکرار کند؛ در نتیجه‌ی این امر او نه تنها قادر به مشاهده‌ی بیش از پنج ساختار در یک زمان نخواهد بود بلکه تمیز کردن بافت ممکن است منجر به از دست رفتن و یا تخریب اجزای حیاتی آن بشود.

لو ووی، نویسنده‌ی ارشد این مقاله و پژوهشگر فوق دکترا در آزمایشگاه پروفسور مین، می‌گوید:« ما می‌خواهیم تمامی ساختارها را به صورت همزمان ببینیم تا چگونگی عملکرد هر کدام را به تنهایی و همچنین نحوه‌ی برهمکنش‌هایی که با یکدیگر دارند را بفهمیم. اجزای بسیار زیادی در یک محیط بیولوژیکی وجود دارد و ما نیاز داریم که بتوانیم همه چیز را به صورت همزمان ببینیم تا به درستی فرآیندها را بفهمیم و درک کنیم.»

علاوه براین، در حال حاضر در میکروسکوپ‌های فلورسنت، از تکنیک‌های میکروسکوپی رامان برای مشاهده‌ی ساختار سلول‌ها و بافت‌های زنده استفاده می‌شود که ارتعاشات مشخص مربوط به پیوندهای شیمیایی هر ساختار را به ارتعاشات نور مرئی قابل مشاهده تبدیل می‌کند. با این حال، اگرچه تکنیک رامان در میکروسکوپ‌های موجود، رنگ‌های بسیار قوی و قابل مشاهده‌ای تولید می‌کند اما سیگنال‌های مربوط به پیوندهای شیمیایی که به اندازه‌ی کافی قوی نیستند را از دست می‌دهد. برای متمرکز کردن سیگنال‌های ارتعاشی به منظور تقویت آن‌ها باید میلیون‌ها ساختار با پیوندهای شیمیایی کاملا یکسان وجود داشته باشد زیرا ، اگر سیگنال مربوط به یک پیوند شیمیایی به اندازه‌ی کافی قوی نباشد، تشخیص ساختار حاوی آن پیوند عملا غیرممکن خواهد بود. برای غلبه به این چالش بزرگ، پروفسور مین و تیم همراهش، شامل پروفسور شیمیدان ویرجینیا کورنیش و پروفسور اعصاب رافائل یوست، تحقیقاتی را برای یافتن ترکیب جدیدی از تکنیک‌های میکروسکوپی موجود به انجام رساند.

آن‌ها پلت‌فرم جدیدی را به نام “میکروسکوپ انتشاری رامان از طریق تحریک پیش رزونانسی الکترونیکی(epr-SRS)” طراحی کردند.این پلت‌فرم، ترکیبی از دو تکنیک فوق‌العاده‌ی حال حاضر می‌باشد که در کنار یکدیگر توانسته‌اند، سطح بالایی از حساسیت و گزینش‌پذیری را ایجاد کنند. تکنیک خلاقانه‌ی جدید می‌تواند سیگنال‌های ضعیف‌تری از پیوندهای شیمیایی را شناسایی کند و برخلاف تکنیک قدیمی رامان که نیازمند یک سیگنال تقویت شده بوسیله‌ی میلیون‌ها ساختار بود، این تکنیک فقط به 30 ساختار با پیوندهای شیمیایی یکسان دارد تا بتواند سیگنال‌های ارتعاشی پیوندهای شیمیایی هر ساختار را شناسایی کند. این تکنیک همچنین گروه جدیدی از برچسب‌های مولکولی را تولید می‌کند که بوسیله‌ی این تیم طراحی شده‌اند و قابلیت عکسبرداری همزمان از 24 ساختار، به جای فقط 5 ساختار، را برای این تکنولوژی فوق مدرن ایجاد کرده‌اند. پژوهشگران معتقدند که این تکنیک پتانسیل زیادی برای بسط یافتن در آینده دارد.

تیم تحقیقاتی این پروژه توانستند پلت‌فرم خود را با موفقیت برای مشاهده‌ی بافت مغز آزمایش کنند. دکتر ووی در این رابطه گفت: «ما قادر به دیدن سلول‌های مختلفی شدیم که با یکدیگر کار می‌کردند و این قدرت مربوط به استفاده از محدوده‌ی وسیع‌تری از رنگ‌ها بود. این امید وجود دارد که ما در آینده بتوانیم عملکرد هر سلول و بافت را دقیقا در زمان واقعی آن مشاهده کنیم. در واقع، بافت مغز تنها چیزی نیست که پژوهشگران آرزو دارند این تکنیک برای شناسایی آن، قابل استفاده باشد؛ سلول‌های مختلفی با عملکردهای متفاوت وجود دارند و دانشمندان معمولا می‌توانند فقط یک گونه از این سلول‌ها را در یک زمان مورد مطالعه قرار دهند، درحالیکه با استفاده از رنگ‌های بیشتر ما قادر خواهیم بود سلول‌های مختلفی را به صورت همزمان مورد مطالعه قرار دهیم و عملکرد هرکدام را به تنهایی و برهم‌کنش سلول‌ها با یکدیگر را در حالت‌های مختلف از سلامتی و بیماری بررسی نمائیم.»

پروفسور مین گفته است:« پلت‌فرم جدید پتانسیل کاربردی بالایی دارد. پیشرفت این تکنولوژی در آینده می‌تواند برای درمان تومورهایی به کار رود که به راحتی با داروهای موجود از بین نمی‌روند. اگر ما بتوانیم چگونگی برهم‌کنش ساختارهای مختلف در یک سلول سرطانی را مشاهده کنیم قادر خواهیم بود ساختارهای هدف را با دقت بیشتری مورد بررسی قرار دهیم. این پلت‌فرم همچنین می‌تواند درک ما را از جزئیات اجزای مختلف یک بافت زنده تغییر دهد.»

ترجمه: ندا حائری/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: phys.org