Wyobraź sobie obserwowanie miasta z wnętrza autobusu
Dobrze, jeśli kochasz naukowe ciekawostki, to coś naprawdę zwali Cię z nóg.
Przez dziesięciolecia naukowcy używali potężnych mikroskopów, aby przybliżyć komórki — te maleńkie biologiczne maszyny, które tworzą wszystko, co żyje. Ale tu pojawia się problem: aby cokolwiek wyraźnie zobaczyć, badacze musieli barwić komórki fluorescencyjnymi barwnikami. To tak, jakby założyć okulary przeciwsłoneczne, żeby widzieć lepiej. Z tą różnicą, że okulary mogą zmienić sposób, w jaki zachowuje się komórka, i pozwalają patrzeć tylko na kilka rzeczy naraz.
Teraz naukowcy ze Stanford University zbudowali coś nowego. Mikroskop, który obserwuje żywe komórki podczas ich codziennych zajęć, nie potrzebując do tego w ogóle tych fluorescencyjnych znaczników. I szczerze? Wydaje mi się, że to przełom znacznie większy, niż przypisuje mu się obecnie.
Co potrafi nowy mikroskop
System ten nazywa się Interferometric Image Scanning Microscopy (interferometryczna mikroskopia skanująca obraz), co jest dość zawiłą nazwą, więc nazwijmy go po prostu iISM. Co czyni go wyjątkowym?
Może on obserwować wiele struktur wewnątrz żywej komórki, które poruszają się, zmieniają i wchodzą ze sobą w interakcje – wszystko to jednocześnie, z rozdzielczością około 120 nanometrów. Dla kontekstu: nanometr to jedna miliardowa metra. Mówimy o niewiarygodnie małej skali.
Ale prawdziwa magia to nie tylko rozdzielczość. Chodzi o to, że naukowcy mogą obserwować te komponenty komórkowe przez długie okresy, nie „smażąc” komórki zbyt dużą ilością światła i nie zmieniając przypadkowo jej zachowania. Mniejsza ekspozycja na światło oznacza mniejszą fotouszkodzenie. Mniejsze fotouszkodzenie oznacza zdrowsze, bardziej naturalne komórki. Bardziej naturalne komórki oznaczają lepszą naukę.
Dlaczego fluorescencyjne znaczniki były problemem
Pozwólcie, że wyjaśnię, dlaczego to takie ważne, ponieważ myślę, że kwestie techniczne mogą przesłaniać to, jak bardzo frustrujące dla badaczy było stare podejście.
Tradycyjna mikroskopia fluorescencyjna działa poprzez przyłączanie świecących cząsteczek do konkretnych struktur wewnątrz komórek. Cząsteczki te emitują światło po wzbudzeniu, czyniąc docelowe struktury widocznymi. Brzmi świetnie, prawda?
Z wyjątkiem tego, że:
- Możesz oznaczyć tylko kilka struktur naraz
- Znaczniki mogą blaknąć w procesie zwanym fotowyblieszaniem
- Dodanie znaczników może w rzeczywistości zmienić sposób, w jaki zachowują się struktury (ups!)
- I widzisz tylko to, co oznaczone, tracąc szerszy kontekst komórkowy
Podejście zespołu ze Stanforda unika wszystkich tych problemów. Pomyśl o tym jak o przejściu z latarki, która pokazuje tylko wybrane obiekty, na światło ogólne, które pozwala zobaczyć wszystko w pokoju. Nie zastępujemy tego, co robi fluorescencja — uzupełniamy ją o coś, czego wcześniej nie potrafiła.
Jak to właściwie działa? (Nie trzeba mieć dyplomu inżyniera)
Tu zaczyna się robić ciekawie. Mikroskop wykorzystuje zjawisko, którego doświadczasz każdego dnia: rozpraszanie światła.
Wiesz, dlaczego niebo jest niebieskie? Gdy światło słoneczne przechodzi przez atmosferę Ziemi, małe cząsteczki rozpraszają krótsze, niebieskie fale bardziej niż dłuższe, czerwone fale. Dlatego niebo nad nami jest niebieskie, podczas gdy zachód słońca wydaje się czerwony — światło słoneczne rozprasza się wokół Ciebie.
Interferometryczna mikroskopia rozpraszająca robi to samo na mikroskopijnej skali. Laser świeci do komórki, a maleńkie struktury wewnątrz rozpraszają część tego światła. Sygnał rozproszony jest bardzo słaby, więc używa się drugiej wiązki lasera, aby go wzmocnić — to jest właśnie ta „interferometryczna” część.
Efekt? Wyraźne obrazy aparatury komórkowej wykonującej swoją pracę, bez wstrzykiwania czegokolwiek i bez dodawania jakichkolwiek znaczników.
Co to oznacza dla nauki?
Według badaczy — w tym W.E. Moernera, który otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 2014 roku za mikroskopię fluorescencyjną superrozdzielczą — może to pomóc nam:
- Badać, jak komórki nowotworowe reagują na potencjalne leki
- Obserwować, jak organizmy wywołujące choroby wchodzą w interakcje z komórkami
- Obserwować komórki roślinne komunikujące się z mikroorganizmami
- Lepiej rozumieć procesy, które wcześniej były zbyt trudne do zbadania
Kluczowym słowem jest „uzupełniające”. iISM nie ma zastępować mikroskopii fluorescencyjnej. Ma z nią współpracować. Jak ujęła to pierwsza autorka badań, Michelle Kueppers: „Jeśli wykorzystamy zalety fluorescencji w zakresie specyficzności molekularnej oraz zalety iISM w zakresie kontekstu i dynamiki bez użycia znaczników, będziemy mogli naprawdę zacząć stawiać pytania, na które wcześniej trudno było odpowiedzieć”.
Dla mnie brzmi to jak najlepszy możliwy scenariusz. Nie jedna technologia wygrywająca z drugą, ale naukowcy posiadający więcej narzędzi w swoim arsenale, aby zrozumieć, jak życie naprawdę działa na najbardziej fundamentalnym poziomie.
Obserwowanie rozwijającego się życia
W samej idei obserwowania żywej komórki przez wiele godzin, patrzenia, jak jej struktury dryfują i wchodzą w interakcje bez żadnej sztucznej ingerencji, jest coś niemal medytacyjnego. Dosłownie obserwujemy, jak dzieje się biologia, w niemal czasie rzeczywistym, bez filtrów.
To wydaje się znaczące. Za każdym razem, gdy opracowujemy nowy sposób na wyraźniejsze obserwowanie świata natury, odkrywamy rzeczy, których nigdy się nie spodziewaliśmy. Ten mikroskop prawdopodobnie nie będzie wyjątkiem.
Źródło: ScienceDaily