تقنية ليزر مبتكرة تعزز التباين في المجاهر الإلكترونية

بعد أكثر من 15 عاماً من البحث النظري والعمل التجريبي لتطوير حزمة ليزر مركزة لتوليد التباين في العينة، تكللت هذه التقنية بالنجاح.

طور علماء الفيزياء والفنيون في مختبر بيركلي وجامعة كاليفورنيا تقنية مبتكرة تعزز أداء المجاهر الإلكترونية، وتتيح الحصول على صور تفصيلية للجزيئات الصغيرة والهياكل الخلوية التي تعتبر أساسية لفهم علم الأحياء والأمراض.

واستطاع العلماء تكييف تقنية تباين الطور للمجاهر الضوئية وتطبيقها في آلية عمل المجاهر الإلكترونية بالتبريد الفائق (cryo-EM) والتي تتمتع بقدرة تكبير تبلغ نحو 10.

000 ضعف من قدرة المجاهر الضوئية.

وتعمل لوحة تباين الطور عبر توليد ليزر فائق السطوع، ينتج عنه صوراً واضحة للجزيئات التي كانت تعاني أنظمة المجهر الإلكتروني بالتبريد الفائق الحالية من صعوبة في التقاطها.

كيف تطور التصوير البيولوجي؟تحت المجهر الضوئي، تبدو الخلايا الحيوانية والنباتية شبه شفافة.

ويصعب إلقاء نظرة فاحصة على ما بداخلها.

ولأن الهياكل البيولوجية الداخلية والعضيات الدقيقة التي نريد دراستها لا تعكس سوى كمية ضئيلة من الضوء، ما يجعل الصورة منخفضة التباين، وبالتالي لا يمكن تمييز الكثير من التفاصيل.

وطورت صبغات كيميائية لتحسين التباين، غير أن هذه الإضافات تؤدي إلى موت الخلية.

عام 1930، أدرك العالم الهولندي فريتس زيرنيكه (Frits Zernike) أن السطوع أو سعة الضوء ليست السمة الوحيدة التي تتأثر عند مرور الضوء عبر الخلية.

فالضوء المنتشر بدوره يتباطأ أيضاً، ما يؤدي إلى تغيير طوره (أي توقيت ذروة شكل الموجة) بمقدار ضئيل.

ورغم أن هذا التغيير في الطور غير مرئي للعين البشرية، إلا أنه يمكن تحويل هذا التغير إلى تباين مرئي عبر تعديل طور الضوء غير المنتشر، بحيث ينشأ فرق طور مقداره 90 درجة بينه وبين الضوء المنتشر.

وعندما يُركَّز كلٌّ من الضوء المنتشر وغير المنتشر على شبكية العين، تظهر ملامح العينة بشكل أوضح مقارنة بالخلفية، ما يعزز التباين.

وعن هذا الاكتشاف، حصل زيرنيكه على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1953.

وفي أوائل الأربعينات من القرن الماضي، كان المجهر الضوئي ذو التباين الطوري قد أثبت فعاليته.

وتكهن العلماء بإمكانية تكييف هذه التقنية مع المجهر الإلكتروني، الذي يستخدم حزمة من الإلكترونات بدلاً من حزمة ضوئية لتصوير هياكل أصغر بكثير.

طورت شركة ثيرمو فيشر ساينتيفيك مجهر إلكتروني جديد للجامعة مصمم خصيصاً لتحقيق أقصى استفادة من الليزر فائق السطوع المبتكر في لوحة الطور الليزرية.

وفي هذا السياق، قال هولغر مولر، أستاذ الفيزياء بجامعة كاليفورنيا والباحث العلمي في قسم العلوم الحيوية بمختبر بيركلي، والذي قاد جهود التطوير: " يمكن تشبيه المجهر الجديد Theia بسيارة فورمولا 1 في عالم المجاهر، فهو يتمتع بدقة أفضل من المجاهر الإلكترونية بالتبريد الفائق القياسية، حتى بدون الليزر.

ومع إضافة لوحة الطور الليزرية، نأمل أن يصبح بالفعل واحد من أفضل الأجهزة في العالم بشكل عام".

وأضاف: " في السابق، كانت دراسة الهياكل البيولوجية باستخدام المجهر الإلكتروني بالتبريد الفائق أشبه بمحاولة مشاهدة لوحات فنية في معرض مظلم.

أما مع مجهر" ثيا"، فالأمر أشبه بإضاءة الأضواء للمرة الأولى".

اختبارات عملية على البروتيناتفي تجارب عملية، أظهر الفريق الباحث قوة جهازهم من خلال تصوير إنزيم الألدولاز، وهو بروتين موجود في العضلات يسهل نسبياً تصويره باستخدام أجهزة الميكروسكوب الإلكتروني بالتبريد الفائق الحالية، وكذلك الهيموغلوبين (بروتين ينقل الأكسجين في الدم).

ويتميز الهيموغلوبين بصغر هيكله، حيث يقع عند الحد الأدنى للحجم الذي يمكن للأجهزة الحالية تصويره، وغالباً ما يستخدم كمعيار لقياس أداء الميكروسكوب الإلكتروني بالتبريد الفائق.

وأدى استخدام لوحة الطور الليزرية إلى تحسين دقة هيكل البروتين في كلتا الحالتين، ولكن بشكل أفضل للهيموغلوبين.

وفي هذا الصدد، قال مولر: " كان لدينا مجموعة كاملة ومتنوعة بدءًا من الجسيمات الأكبر حجماً التي لا تشكل تحدياً كبيراً عند إعداد العينات بشكل ممتاز، وصولاً إلى الجسيمات الصغيرة الصعبة والتي تم إعدادها بشكل سيئ.

وشهدنا أكبر قدر من التحسن من الحالات الأكثر صعوبة".

يعمل الفريق الآن على توسيع نطاق استخدام المجهر Theia ليتجاوز تحليل الجسيمات الفردية (cryo-EM)، وذلك بهدف تطبيق تقنية أحدث تُعرف باسم التصوير المقطعي الإلكتروني بالتبريد الفائق (cryo-ET).

وتعمل هذه التقنية بتجميع مناظر للجسيمات أو بنية خلوية من زوايا مختلفة وتكوين صورة ثلاثية الأبعاد.

وتشبه الطريقة التي تُنتج بها الفحوصات التصوير المقطعي المحوسب (CT-Scan) في المستشفيات صوراً لأجزاء الجسم.

ووفقاً للمختبر، سيحقق التصوير المقطعي الإلكتروني بالتبريد الفائق (cryo-ET) قفزة هائلة في قدرة العلماء على دراسة العمليات والتفاعلات الخلوية، لأنه يلتقط الجزيئات في حالاتها الطبيعية داخل الخلايا، على عكس التصوير المجهري الإلكتروني بالتبريد الفائق للجسيمات الفردية (cryo-EM)، كما يوفر دقة أعلى بكثير من المجهر الضوئي.