Καλά νέα: τα φθηνά μικροσκόπια μπορούν επίσης να λάβουν εικόνες σούπερ ανάλυσης
Η ομάδα των νανολόγων Ali Shaib και Silvio Rizzoli στο Πανεπιστημιακό Ιατρικό Κέντρο στο Γκέτινγκεν της Γερμανίας, ανέπτυξε μια μέθοδο για συνηθισμένη μικροσκοπία φωτός - την τεχνική ONE Microscope - η οποία καταγράφει εικόνες μεμονωμένων πρωτεϊνών και κυτταρικών δομών που δεν έχουν ξαναδεί σε ένα επίπεδο λεπτομέρειας που ξεπερνά ακόμη και αυτή ενός μικροσκοπίου «υπερ-ανάλυσης» πολλών εκατομμυρίων δολαρίων. μικροσκόπια «υπερ-ανάλυσης» πολλών εκατομμυρίων δολαρίων. Τα ευρήματα δημοσιεύτηκαν στον ιστότοπο preprint bioRxiv.
«Θα πρέπει να υπάρχει κάποια μορφή δημοκρατίας στην τεχνολογία μικροσκοπίας». Ο Rizzoli επισημαίνει ότι η υψηλή ανάλυση της νέας τεχνολογίας είναι εφαρμόσιμη στα πολλά, όχι στα λίγα εύπορα εργαστήρια.
Οι δυνατότητες των συμβατικών οπτικών μικροσκοπίων περιορίζονται από τους νόμους της οπτικής, πράγμα που σημαίνει ότι οι παρατηρήσεις αντικειμένων μικρότερων από 200 nm είναι ασαφείς, είπε ο Rizzoli, προσθέτοντας ότι οι ερευνητές έχουν αναπτύξει μεθόδους υπερ-ανάλυσης πέρα από τη φυσική που μπορούν να μειώσουν αυτό το όριο σε περίπου 10 nm. Αυτή η μέθοδος, η οποία κέρδισε το Νόμπελ Χημείας 2014, χρησιμοποιεί οπτικά κόλπα για να εντοπίσει τα φθορίζοντα μόρια που συνδέονται με πρωτεΐνες.
Το 2015, οι ερευνητές πρότειναν έναν άλλο τρόπο παράκαμψης του οπτικού ορίου. Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Edward Boyden, νευρωνικό μηχανικό στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης στις ΗΠΑ, έδειξε ότι οι φουσκωτοί ιστοί (που χρησιμοποιούν μια απορροφητική ένωση που βρίσκεται στις πάνες) θα μπορούσαν να κρατήσουν τα κυτταρικά αντικείμενα μακριά το ένα από το άλλο. Η τεχνική, γνωστή ως μικροσκοπία διόγκωσης, οδήγησε σε ένα κβαντικό άλμα στην ανάλυση μικροσκοπίου, επιτρέποντας την ανάλυση δομών περίπου 20 nm.
Η τεχνική των Shaib και Rizzoli συγχωνεύει τις δύο μεθόδους για να επιτύχει ανάλυση κάτω-1nm. Αυτή η σαφήνεια είναι αρκετή για να αποκαλύψει το σχήμα μεμονωμένων πρωτεϊνών, οι οποίες προηγουμένως απεικονίζονταν με περισσότερες λεπτομέρειες χρησιμοποιώντας πιο ακριβές μεθόδους δομικής βιολογίας, όπως η κρυοηλεκτρονική μικροσκοπία.
Η απλότητα της μικροσκοπίας επέκτασης είναι μέρος της απήχησής της και ο Boyden εκτιμά ότι περισσότερα από 1,000 εργαστήρια έχουν υιοθετήσει την τεχνική. Τα δείγματα επεξεργάζονται με χημικές ουσίες που ακινητοποιούν τις πρωτεΐνες σε ένα πολυμερές, το οποίο διογκώνεται σε 1,000 φορές το αρχικό του μέγεθος όταν προστίθεται νερό, επιτρέποντας τον διαχωρισμό των μορίων. Η τεχνική μικροσκοπίας ΜΙΑ χρησιμοποιεί επίσης θερμότητα ή ένζυμα για τη διάσπαση τις πρωτεΐνες, έτσι ώστε μεμονωμένα θραύσματα να τεντώνονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις κατά τη διαδικασία διόγκωσης.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τη μέθοδό τους για να καταγράψουν εικόνες ενός νευρομορίου, του υποδοχέα GABAA, που μοιάζει πολύ με χάρτες πρωτεϊνών με κρυοηλεκτρονική μικροσκοπία υψηλής ανάλυσης και κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ. Έχουν επίσης καταγράψει το περίγραμμα ενός μεγάλου κομματιού μιας πρωτεΐνης που ονομάζεται ωτοτοξίνη, της οποίας η δομή δεν έχει ακόμη προσδιοριστεί, που βοηθά στη μετάδοση ηχητικών σημάτων στον εγκέφαλο. Το σχήμα είναι παρόμοιο με τις δομικές προβλέψεις που γίνονται από το δίκτυο βαθιάς εκμάθησης AlphaFold.
Αν και η μέθοδος δεν μπορεί να ταιριάξει με την ανάλυση της κρυοηλεκτρονικής μικροσκοπίας, η οποία σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να αποκαλύψει λεπτομέρεια σχεδόν ατομικού επιπέδου μικρότερη από 0.2 nm, οι τεχνικές κρυοηλεκτρονικής μικροσκοπίας είναι τόσο ασήμαντες όσο και ακριβές, ο Rizzoli είπε, προσθέτοντας ότι η μικροσκοπία ONE, αντίθετα, μπορεί να προσφέρει έναν γρήγορο και εύκολο τρόπο κατανόησης της δομής σχεδόν οποιουδήποτε μορίου.
Μέρος του κινήτρου για την ανάπτυξη της τεχνολογίας ήταν η επέκταση της προσβασιμότητας των οπτικών μικροσκοπίων αιχμής, είπε ο Rizzoli. η μέθοδος μικροσκοπίου ONE είναι αρκετά απλή ώστε να μπορεί να εφαρμοστεί σε μικροσκόπια φθορισμού, τα οποία κατέστησαν παρωχημένα στη δεκαετία του 1990.
Η Salma Tammam, τεχνολόγος φαρμακευτικής στο Γερμανικό Πανεπιστήμιο στο Κάιρο, σχεδιάζει να στείλει έναν διδάκτορα για να μελετήσει την τεχνική αυτό το καλοκαίρι. Το εργαστήριό της μελετά πώς τα νανοσωματίδια κινούνται μέσα από τα κύτταρα και θέλουν να δουν λεπτομέρειες για τα σωματίδια και τους φορείς τους. Όμως, όπως πολλοί ερευνητές σε χώρες χαμηλού και μεσαίου εισοδήματος, δεν έχουν πρόσβαση σε ακριβά μικροσκόπια σούπερ ανάλυσης.
Η επέκταση της χρήσης μικροσκοπίας υπερ-ανάλυσης είναι επίσης σημαντική για τους επιστήμονες σε καλά χρηματοδοτούμενα ιδρύματα, λέει ο Noa Lipstein, βιολόγος συνάψεων στο Κέντρο Μοριακής Φαρμακολογίας του Leibniz στη Γερμανία. Πρόσφατα ίδρυσε μια ανεξάρτητη ερευνητική ομάδα και επέλεξε να εφαρμόσει ένα μικροσκόπιο ONE στις μελέτες των συναπτικών λεπτομερειών.
