Stanford’un yeni mikroskobu canlı hücreleri daha önce hiç görülmüş gibi net biçimde ortaya çıkarıyor

Stanford Üniversitesi’nde geliştirilen yeni bir mikroscopes, bilim insanlarına canlı hücrelerin içindeki küçük yapıların gerçek zamanlı olarak hareket etmesini ve etkileşime girmesini izleme imkanı tanıyor; bu yapıları görünür kılmak için genellikle kullanılan floresan etiketlere ihtiyaç olmadan son derece detaylı bir görüntü sağlıyor.

Stanford araştırmacıları, canlı hücrelerin iç işleyişini olağanüstü netlikle ortaya çıkaran güçlü yeni bir görüntüleme sistemi geliştirdi. İki gelişmiş mikroskopi tekniğini birleştiren alet, yaklaşık 120 nanometre çözünürlük elde ediyor; bu, floresan etiket gerektirmeyen bir yaklaşım için benimsiz derecede detaylı bir düzey.

iISM (Interferometric Image Scanning Microscopy — Girişimli Görüntü Tarama Mikroskopi) olarak bilinen teknoloji, birden fazla hücre yapısının aynı anda, hareket ederken, değişirken ve çevrelerine tepki verirken gözlemlenmesini mümkün kılıyor. Bilim insanları ayrıca hücrelerin ilaçlara veya hastalık yapan organizmalara maruz kaldığında ne olduğunu da inceleyebilir; bu da daha önce çalışılması zor olan biyolojik süreçleri ortaya çıkarmaya yardımcı olabilir.

Nature yayın grubunun Φωτεινό: Science and Applications dergisinde anlatılan bu atılım, kanser araştırmalarında, ilaç geliştirmede, bulaşıcı hastalık çalışmalarında ve bitkilerin mikroorganizmalarla etkileşiminin incelenmesinde ilerlemelere yol açabilir.

“Bu yeni mikroskop, hücreye dair muhteşem yeni bir bakış açıları sunuyor; hücredeki küçük yapıların ve makinelerin hareket ettiğini, değiştiğini ve etkileştiğini gözlemlemek için onları izlemek floresan eklemeye gerek kalmadan görülebiliyor,” dedi üst düzey araştırmacı W.E. Moerner, Stanford’ın İnsanilik ve Bilimler Fakültesi’sinde Kimya Profesörü Harry S. Mosher.

Floresan Etiketler Olmadan Ζωντανά Hücrelerin İçinde Görme

Yeni mikroskobun en önemli avantajlarından biri, floresan işaretçilere dayanmadan kre activity aktivitesini ortaya çıkarabilmesidir.

Birçok mevcut mikroskopi tekniği, hücrelerin içindeki belirli yapıları vurgulamak için floresan maddeler kullanır. Bu yöntemler biyolojik araştırmaları dönüştürmüş olsa da, sınırlamaları vardır. Araştırmacılar genellikle yalnızca küçük sayıda yapıyı aynı anda etiketleyebilir; bu da farklı bileşenlerin tüm bir hücre boyunca nasıl etkileştiğini izlemayı zorlaştırır.

Floresan sinyalleri ayrıca gözlemleme sırasında fotobleaching olarak bilinen bir süreç nedeniyle solabilir. Buna ek olarak, etiketlerin sokulması zor olabilir ve bazı işaretçiler, bilim insanların çalışmak istediği yapıların davranışını değiştirebilir.

Stanford sistemi, floresan etiketler olmadan hücreleri görüntüleyerek bu sorunlardan kaçınır. Bu da araştırmacılara, aktivitelerini daha doğal bir ortamda gözlemlerken çok sayıda kre activity bileşenini uzun süreler boyunca takip etme imkanı tanıyor.

Başka bir avantaj ise iISM’in, yüksek kontrastlı görüntüler üreten karşılaştırılabilir etiketsiz yöntemlere göre önemli ölçüde daha az aydınlatma gücü gerektirmesidir. Daha az ışık maruz kalması, fotodamage riskini azaltır; bu da görüntülemekte kullanılan ışığın canlı hücrelere zarar vermesi veya normal işlevlerini bozması durumudur.

Diğer özel mikroskoplar daha ince çözünürlük elde edebilse de, detaylı görüntüleme, nazik aydınlatma ve uzun süreli gözlemllemenin birleşimi iISM’i canlı biyolojik sistemlerin çalıştırılması için özellikle değerli kılıyor.

Araştırmacılar, teknolojilerinin floresan mikroskopiyi yerine koymak yerine tamamlayıcı olması amaçlandığını vurguluyor.

Üst düzey araştırmacı Michelle Kueppers, Moerner’in laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olarak, farklı görüntüleme yaklaşımlarının güçlü yanlarını birleştirmenin bilim insanlarına daha önce erişilemeyen sorulara cevap vermaya yardımcı olabileceğini açıkladı.

“Her yöntemin kendi artıları ve eksileri var ve biz gelecekte tamamlayıcı bir uygulamaya inanıyoruz,” dedi Kueppers. “Floresanın moleküler özgüllüğünün gücünü iISM’in etiketsiz bağlam ve dinamiklerin gücüyle birleştirirsek, daha önce yanıtlamak zor olan sorulara gerçekten yaklaşmaya başlayabiliriz.”

Yeni Mikroscopes Benimsiz Detaya Nasıl Ulaşıyor

Bu atılım, her biri kendi artılarına sahip iki farklı mikroskopi teknolojisini bir araya getirmekten geliyor.

Moerner, super-resolution floresan mikroskopi alanındaki öncü katkıları için 2014 Nobel Kimya Ödülü’nü aldı. Kueppers’i özellikle “interferometric scattering microscopy” olarak bilinen bir teknoloji içeren doktora araştırması nedeniyle Stanford’a getirdi.

Bu yöntem, ışığın tanıdık bir özelliğine dayanır: saçılma.

Işık, küçük parçacıklarla karşılaştığında yönünü değiştirir. Gökyüzünün mavi görünmesini açıklayan temel olgu da budur. Güneş ışığı Κόσμος’nın atmosferinden geçerken, moleküller, toz ve su damlacıkları farklı dalga boylarını saçılar. Daha kısa mavi dalga boyları, daha uzun kırmızı dalga boylarına göre daha güçlü biçimde saçılır; bu da yukarıda gördüğümüz mavi rengi üretir.

Interferometric scattering microscopy, bu davranışı çok daha küçük ölçektede yararlanıyor.

Bir lazer bir hücreyi aydınlatır ve içindeki küçük yapıların gelen ışığın bir kısmını saçılmasına neden olur. Saçılan sinyal son derece zayıf olduğundan, mikroskobun aksi takdirde izlemesi zor olan yapıları algılayabilmesi için ikinci bir lazer ışını girişim yoluyla güçlendirilir.

Stanford ekibi, bu yaklaşımı gelişmiş konfokal mikroskoplardan uyarlanmış teknolojiyle birleştirerek geliştirdi.

Geleneksel konfodal mikroskoplar, yalnızca seçili bir alandan gelen ışığı izole etmek için delikli bir açıklama olan “pinhole” ve tek bir dedektör kullanır. Daha gelişmiş sürümler, bu düzenlemayı aynı bölgenin birden fazla görünümünü toplayabilen kamera tabanlı dedektör dizileriyle değiştirir.

Araştırmacılar, yeni mikroskoplarına bir dedektör dizisi dahil ederek, delikli açıklama ve tek dedektör etrafında kurulan geleneksel bir sistemden daha çok ışık toplayabilmesini sağladı.

Yüzlerce Görünüm Tek Keskin Bir Görüntüde Birleştiriliyor

Birden fazla perspektif toplamanın avantajı, insan görüşünün çalışma biçimine benzer.

Iki gözümüz dünyayı biraz farklı konumlardan gözlemler ve beynin yakın nesneleri uzaktakilerden ayırmasına yardımcı olur. Stanford mikroskobu ilgili bir prensip kullanır; ancak yalnızca iki perspektife dayanmak yerine, dedektör dizisi onlarca ya da yüzlerce görünümü toplar.

Araştırmacılar, bu ölçümleri birleştirerek keskinlik, kontrast, derinlik bilgisi ve doğruluk açısından iyileştirilmiş görüntüler üreten hesaplama temelli bir yöntem geliştirdi.

Perspektif için, nanometre metre’nin milyarlık biri kadardır. Bu ölçekde araştırmacılar son derece küçük kre activity yapılarını inceleyebilir ve hareketlerini etkileşimlerini takip edebilir.

Kritik olan şu ki, mikroscopes bu çözünürlüğü görüntüleme hızından ödün vermeden veya yoğun lazer aydınlatma gerektirmeden elde eder. Bu nedenle bilim insanları, hücreleri rahatsız etme ya da zarar verme riskini en aza indirerek canlı hücreleri daha uzun süreler boyunca gözlemler.

Kanser İlaçlarından Sıtaya: Έρευνες İçin Yeni Olanaklar

Moerner ve Kueppers, aleti sonuna kadar rafine etmeye devam ediyor; amaç onu nihayetinde biyoliyanın birçok alanında bilim insanlarına erişilebilir kılmaktır.

Diğer Stanford araştırma gruplarıyla yapılan üç işbirliği zaten başladı ya da geliştirilme aşamasındadır ve bu teknolojinin yardımcı olabileceği soruların çeşitliliğini göstermektedir.

Bir proje, mikroskobu bitki hücreleri, mantarlar ve bakteriler arasındaki etkileşimleri olurken gözlemlemek için kullanıyor. Bu organizmaların gerçek zamanlı olarak etkileştiğini izleyerek araştırmacılar, bitkiler ile mikroplar arasındaki karmaşık ilişkileri daha net biçimde anlama umudu taşıyor.

Başka bir işbirliği kanser tedavisine odaklanıyor. Bilim insanları iISM’i bir ilaç hücreye nasıl girdiğini araştırmak için kullanıyor; bu da ilaçların hedefleriyle etkileşimi hakkında değerli bilgiler sağlayabilir.

Hâlâ planlama aşamasında olan üçüncü bir proje, kırmızı kan hücrelerinin sıtaya maruz kaldığında şeklini nasıl değiştirdiğini inceleyecek. Bu fiziksel değişiklikleri gözlemlmek, hastalığın kan hücrelerine etkisi hakkında yeni içgörüler sunabilir.

Bu uygulamalar, araştırmacıların mikroskoplarının yalnızca dar bir araştırma alanında hizmet vermek yerine sayısız bilimsel disiplinde faydalı bir araç haline gelebileceğine neden inandıklarını gösteriyor.

“Bu niş bir teknoloji değil,” dedi Kueppers. “Geniş uygulamaları var ve umuyorum ki yaşam bilimleri topluluğu bundan iyi yararlanacak; bu da çok sayıda yeni keşfe yol açacak.”