Czy jesteśmy w stanie zobaczyć np. jak w rzeczywistości komórka systemu immunologicznego, broni nasz organizm przed intruzem? Całkiem od niedawna, dzięki nowym pomysłom dr Betziga, który udoskonalił technologię mikroskopów fluorescencyjnych, możemy oglądać takie oto obrazy:
[Limfocyt T – czerwony – atakuje swój cel, komórkę niebieską.]
Popularne mikroskopy optyczne, do powiększenia danego obiektu badań, wykorzystują soczewki i światło. Mikroskopy te są jednak ograniczone długością fali światła widzialnego, sprawiając, że niemożliwe jest obserwowanie szczegółowej struktury i aktywności np. komórki.
Najpotężniejszymi mikroskopami, którymi dzisiaj dysponujemy, są mikroskopy elektronowe. Wiązka elektronowa ma o wiele mniejszą długość fali od światła widzialnego, co pozwala na osiągnięcie dużych powiększeń i rozdzielczości.
Jednak mikroskop elektronowy może być używany tylko na odpowiednio przygotowanych, nieruchomych próbkach. Oznacza to, że nie można go wykorzystać do badania żywych komórek. Dlatego większość biologów używa zaawansowanych mikroskopów optycznych, które wykorzystują fluorescencję do generowania bardziej szczegółowych obrazów komórek.
Jak to działa? Fluorescencyjna cząsteczka może być powiązana z różnymi częściami komórki. Wzbudzana przez odpowiednią długość fali światła, emituje światło o innej długości fali. Wyspecjalizowane filtry rozdzielają te dwie fale. W ten sposób, tylko światło wyemitowane przez wzbudzoną cząsteczkę fluorescencyjną jest wykorzystywane do stworzenia obrazu.
Mikroskopy te mają jednak swoje ograniczenia, spowodowane głównie dużą intensywnością światła użytego do wzbudzenia fluoroforów. Ta intensywność światła powoduje, że fluorofory podlegają tzw. fotowybielaniu, czyli tracą zdolność emisji światła. Światło może również uszkodzić komórkę, poprzez dwa zjawiska fototoksyczności.
Pierwsze, krótka fala światła posiada dużą energię, co uszkadza system biologiczny. Tak jak słoneczne promienie UV, przed którymi ochroni nas krem do opalania. Drugie, fluorofory mogą wchodzić w reakcje chemiczne, które uszkadzają komórkę podczas emisji światła.
Chcąc ominąć te ograniczenia, fizyk, inżynier i noblista, dr Betzig, zamiast używać silnej wiązki światła wycelowanej w całą komórkę, wykorzystał znacznie słabsze światło, skupiając się tylko na żądanych częściach komórki. Dzięki temu mógł zobaczyć pojedyncze molekuły fluorescencyjne o wielkości nanometrów.
Podejście to pozwala wykonać między 40, a 100 000 zdjęć indywidualnym molekułom. Zdjęcia następnie są ze sobą łączone, dając w efekcie szczegółowy obraz 3D. Technologia PALM (bo tak ją nazwano), stała się złotym środkiem w badaniach żywych komórek, przy minimalnym ich uszkadzaniu.
Dr Betzig nie spoczął jednak na laurach. Chciał udoskonalić technologię, która mogła w prawdzie produkować zdjęcia o dużej rozdzielczości, ale była zbyt wolna, aby obserwować procesy biologiczne zachodzące w czasie rzeczywistym.
Jego ostatni wynalazek to mikroskop, który wykorzystuje niedyfrakcyjne światło, tzw. wiązkę Bessela, która oświetla próbkę z boku. Jednak zamiast używać jednej wiązki, Betzig podzielił ją na siedem cieńszych wiązek. To ponownie obniżyło fototoksyczność i pozwoliło na szybsze skanowanie próbki – do 1000 skanów na sekundę – umożliwiając uchwycenie na obrazach szybko zachodzących procesów komórkowych, które, po połączeniu, dają niezwykłe zdjęcia i wideo wysokiej rozdzielczości.
[Obserwacja zielonej komórki rakowej, poruszającej się po macierzy kolagenu – dzięki metodzie Betziga]
Szybkie skanowanie w połączeniu z podziałem wiązki Bessela, sprawiło, że fotowybielanie nie stanowi już praktycznie problemu.
[Kilka pierwszych etapów podziału komórek embrionu nicienia C. elegans.]
Zdolność wykonywania obrazów wysokiej rozdzielczości próbek biologicznych, przy minimalnym ich uszkadzaniu, z pewnością zwiększy naszą wiedzę na poziomie komórkowym i subkomórkowym. Gdzie ta wiedza nas zaprowadzi? Tego nie wie nikt. Ciężko jednak przecenić jak bardzo wartościowe może okazać się, zrozumienie życia na poziomie molekularnym.
Źródło: Singularityhub