اختراق المجهر يمكن أن يكشف عن البروتينات التي كان يُعتقد أنها صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها

يمكن للابتكار المعتمد على الليزر أن يسمح للمجاهر الإلكترونية بالكشف عن الهياكل البيولوجية التي ظلت لفترة طويلة بعيدة عن متناولها.

تظل معظم البروتينات البشرية صغيرة جدًا بحيث لا تتمكن أقوى المجاهر البيولوجية اليوم من حلها بوضوح. نظام ليزر تم تطويره بواسطة جامعة كاليفورنيا في بيركلي يمكن للفيزيائيين المساعدة في تسليط الضوء على العديد منها.

قام الباحثون بتكييف تباين الطور، وهي طريقة تصوير عمرها قرن تقريبًا، من أجل الفحص المجهري الإلكتروني البارد (cryo-EM). تعمل لوحة طور الليزر الخاصة بها على تحسين التباين عن طريق تغيير طور شعاع الإلكترون دون تقليل شدته بشكل كبير.

يمكن أن يؤدي هذا التقدم أيضًا إلى تعزيز التصوير المقطعي الإلكتروني بالتبريد (cryo-ET)، الذي يجمع الصور المأخوذة من زوايا مختلفة لإعادة بناء الجزيئات داخل الخلايا.

الكشف عن البروتينات الأصغر

وقال هولجر مولر، أستاذ الفيزياء في جامعة كاليفورنيا في بيركلي، وعالم هيئة التدريس في مختبر لورانس بيركلي الوطني الذي قاد جهود التطوير: “أصبحت تقنية Cryo-EM الطريقة الجديدة والأسرع نموًا لحل بنية الجزيئات البيولوجية الكبيرة، ومن المتوقع أن تُظهر تقنية cryo-ET كيف تعمل هذه الجزيئات معًا في سياقها الخلوي الطبيعي”. “ولكن بسبب قيود الإشارة إلى الضوضاء، فإن غالبية البروتينات البشرية والحيوانية صغيرة جدًا بحيث لا يمكن تحليلها بهذه الطرق. ومن المتوقع أن تتغلب الزيادة في نسبة الإشارة إلى الضوضاء التي توفرها لوحة طور الليزر هذه على هذه القيود المهمة.”

يستخدم النظام ليزرًا موجيًا مستمرًا ومركّزًا بشكل استثنائي لتغيير شعاع الإلكترون. وهذا التغيير يجعل من السهل تمييز الجزيئات الصغيرة، مثل الهيموجلوبين، ويمكن أن يحسن رؤية الهياكل المزدحمة داخل الخلايا.

قالت بريدجيت كاراجر، المدير الفني المؤسس للتصوير في Biohub في ريدوود سيتي، كاليفورنيا: “مع تقنية cryo-ET، نحن ننظر إلى مادة خلوية صغيرة ومعقدة للغاية ومزدحمة بشكل لا يصدق داخل الخلية”. “إنها مثل غابة من الأشجار، وأنت تحاول العثور على ورقة واحدة على شجرة واحدة هناك. يحتاج Cryo-ET إلى خطوة دراماتيكية إلى الأمام في المقابل، حتى نتمكن من البدء في رؤية ما يحدث داخل الخلية. وهذا ما تعدنا به لوحة طور الليزر.”

بناء ثيا

قام Biohub بتمويل مجهر Thermo Fisher Krios المخصص الذي قام مولر بتجهيزه بلوحة طور الليزر. أطلق على الآلة اسم ثيا على اسم تيتانيس اليونانية القديمة المرتبطة بالضوء.

يقوم Biohub بتطوير مجهر ثانٍ يستخدم ليزرين متعامدين بطاقة أقل. يهدف التصميم إلى تقليل التشوهات البصرية وحماية المكونات من التلف.

قال مولر: “ثيا هو مجهر الفورمولا 1”. “إنه يحتوي على بصريات إلكترونية إضافية تمنحه دقة أفضل من جهاز cryo-EM القياسي، حتى بدون الليزر. ومع إضافة لوحة طور الليزر، نأمل أن يصبح حقًا أفضل أداة في العالم بشكل عام.”

إعادة صياغة فكرة عمرها قرن من الزمان

تم تطوير تباين الطور بواسطة الفيزيائي الهولندي فريتس زيرنيكي في عام 1930. واكتشف أن الضوء الذي يمر عبر المواد البيولوجية يتغير ليس فقط في السطوع ولكن أيضًا في الطور.

ومن خلال تحويل الضوء غير المبعثر بمقدار 90 درجة، يحول تباين الطور الاختلافات غير المرئية تقريبًا إلى تغييرات في السطوع. جعلت هذه الطريقة الهياكل الخلوية الشفافة أسهل في الرؤية دون تلطيخها. حصل زرنيكي على 1953 جائزة نوبل في الفيزياء لهذا الاكتشاف.

وسرعان ما حاول العلماء تطبيق نفس المبدأ على المجاهر الإلكترونية، ولكن لوحات المرحلة المبكرة أضعفت الشعاع، أو خفضت الدقة، أو أنتجت صورا غير مستقرة.

في عام 2010، قام مولر ورائد تقنية العلاج بالتبريد الإلكتروني روبرت جليسر اقترح استخدام الليزر المكثف بدلا من ذلك.

خمسة عشر عاما من التطوير

أمضى مولر 15 عامًا في تحويل المفهوم إلى أداة عمل. قام فريقه بحبس الليزر داخل تجويف مرآة كروي، حيث ينعكس الضوء أكثر من 10000 مرة ويتركز في منطقة صغيرة.

وقال مولر: “إنها 75 كيلووات مركزة على بضعة ميكرونات”. “هذا أقوى مما تستخدمه في اللحام. إنه أقوى من الليزر العسكري. إنه ينشئ ألمع تركيز ليزر مستمر على الإطلاق.”

أظهرت الاختبارات التي شملت ست عينات بيولوجية أن الليزر أنتج أفضل التحسينات للعينات الصغيرة أو الصعبة.

وقال مولر: “بالنسبة للحالات الأكثر صعوبة – الجزيئات الصغيرة والعينات السيئة – ينتج الليزر ميزة كبيرة جدًا”.

اختبر الباحثون النظام على ألدولاز، وهو بروتين عضلي يمكن لـ cryo-EM تصويره بشكل جيد نسبيًا، وعلى الهيموجلوبين، وهو بروتين أصغر بالقرب من الحد الأدنى للأدوات الحالية. تحسنت كلتا الصورتين، لكن الهيموجلوبين استفاد أكثر.

دفع ما وراء الحدود الحالية

بالكاد يستطيع Cryo-EM تحليل البروتينات الأصغر من حوالي 70 كيلو دالتون، على الرغم من أن البروتينات الأقل من هذا الحجم تمثل حوالي 90% من البروتين البشري.

وباستخدام لوحة الطور الليزري، يستطيع الباحثون الآن تصوير بروتينات صغيرة يصل حجمها إلى 50 كيلو دالتون، على الرغم من أن القيام بذلك لا يزال صعبًا. ويأمل مولر أن تؤدي التحسينات المستقبلية إلى خفض الحد الأقصى إلى 17 كيلو دالتون (حجم بروتين الميوجلوبين).

يمكن أن يوفر شعاع الإلكترون المركز تحسينًا إضافيًا مضاعفًا في نسبة التباين والإشارة إلى الضوضاء.

قال ستيفاني أوتي، نائب رئيس علوم التصوير في Biohub: “إن هذه التكنولوجيا تمثل تغييرًا تدريجيًا في وظيفة علم الأحياء”. “سنكون قادرين على رؤية كيفية عمل الآلات الجزيئية داخل الخلية الحية، في سياقها، لأول مرة. ما كان غير مرئي في السابق سوف يصبح مرئيا – وهذا يغير كل شيء حول كيفية فهمنا للمرض”.

المرجع: “لوحة الطور الليزري تعمل على تحسين تحديد بنية البروتينات الصغيرة عن طريق التبريد EM” بقلم Petar N. Petrov، Jessie T. Zhang، Jonathan Remis، Jeremy J. Axelrod، Hang Cheng، Eric S. Cooper، Ian K. Hicklin، Shahar Sandhaus، Cooper Schnurr، Robert M. Glaeser and Holger Müller، 11 يونيو 2026، علوم.
دوى: 10.1126/science.aeh0665

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.