الكشف عن التنوع الجزيئي للحياة بتفاصيل مذهلة

طور باحثو معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا BonFIRE ، وهي تقنية مجهرية متطورة تجمع بين الفحص المجهري بالرنين والرنين. يوفر هذا النهج الجديد تصوير جزيء واحد لا مثيل له ويستخدم النظائر لتوليد ألوان رنين مختلفة ، مما يوفر رؤى عميقة للجزيئات والعمليات البيولوجية.

إذا كنت تتخيل النظر من خلال المجهر ، يمكنك أن تتخيل النظر إلى شريحة زجاجية بها أميبا أو خلية بشرية أو بعض الحشرات الصغيرة.

لكن المجاهر يمكن أن ترى أكثر بكثير من هذه الكائنات الدقيقة ، وهناك نوع جديد من المجاهر تم تطويره في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) يجعل من السهل رؤية الجزيئات التي تتكون منها الكائنات الحية.

تقنية النار

في مقال نشر في المجلة الضوئيات الطبيعيةيستخدم الباحثون في مختبر Lu Wei ، الأستاذ المساعد للكيمياء والباحث في معهد Heritage Medical Research Institute ، ما يسمونه التحليل الطيفي المجهري بالأشعة تحت الحمراء والمكتشفة بالأسفار الانتقائي ، أو النار.

يجمع Bonfire بين تقنيتي الفحص المجهري في عملية واحدة مع انتقائية وحساسية عالية ، مما يمكّن الباحثين من تصور العمليات البيولوجية على مستوى جزيء واحد غير مسبوق وفهم الآليات البيولوجية من منظور جزيئي.

يقول المؤلف المشارك للدراسة وطالب الدراسات العليا في الهندسة الكيميائية Dongquan Lee: “من خلال مجهرنا الجديد ، يمكننا الآن تصور جزيئات مفردة ذات تباين اهتزازي ، وهو ما يمثل تحديًا بالنسبة للتقنيات الحالية”.

عالم ما بعد الدكتوراه Haomin Wang (يسار) وطالب الدراسات العليا Dongquan Lee (على اليمين) يبرهنان على أداة Bonfire Microscope أثناء العمل. الائتمان: معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

تقنيات وراء النار

إحدى التقنيات المتضمنة في BonFIRE هي الفحص المجهري الفلوري ، الذي يميز الجزيئات والهياكل المجهرية الأخرى بعلامات كيميائية فلورية لتصويرها أثناء توهجها.

تقنية أخرى هي الفحص المجهري الاهتزازي ، والذي يستخدم الاهتزازات الطبيعية في الروابط التي تربط ذرات الجزيء معًا. يتم قصف العينة المراد تصويرها بالضوء ، في هذه الحالة ضوء الأشعة تحت الحمراء. هذا القصف يهتز روابط جزيئات المادة بطريقة تحدد نوعها. تختلف اهتزازات الرابطة الثلاثية عن اهتزازات الرابطة الأحادية والكربون الذري على سبيل المثال ، يكون اهتزاز ذرة الكربون المرتبطة بذرة النيتروجين أكثر من اهتزاز ذرة الكربون المرتبطة بذرة كربون أخرى. ليس الأمر كما لو أن عازف الجيتار المدرب يمكنه معرفة أي وتر يتم نقره على الجيتار وما هي المادة المصنوعة منه فقط من خلال الاستماع إلى النغمة التي ينتجها.

لو وي ، أستاذ الكيمياء المساعد والباحث في معهد بحوث الطب التقليدي. الائتمان: معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

الجمع بين القوى

يسمح الفحص المجهري الفلوري للباحثين بمراقبة الجزيئات المفردة ، لكنه لا يوفر معلومات كيميائية غنية ، كما يقول وي. من ناحية أخرى ، يوفر الفحص المجهري بالرنين تلك المعلومات الكيميائية الغنية ، لكن التصوير لا يعمل إلا عندما يكون الجزيء كبيرًا.

يتغلب BonFIRE على هذه القيود من خلال الجمع بين الرنين والفلورة ، والجمع الفعال بين نقاط القوة في كلتا التقنيتين. تعمل العملية على النحو التالي: يتم تلطيخ العينة أولاً بصبغة فلورية ، والتي ترتبط بالجزيئات المراد تصويرها. يتم قصف العينة بنبضات من ضوء الأشعة تحت الحمراء التي يتم تعديل ترددها لتحفيز رابطة معينة موجودة في الصبغة. بمجرد أن يكون السند متحمسًا من قبل الشخص الوحيد الفوتون يضيء عليه نبضة ثانية عالية الطاقة من الضوء ويتوهج مع توهج يمكن اكتشافه مجهريًا. بهذه الطريقة ، يمكن للمجهر تصوير خلايا كاملة أو جزيئات مفردة.

افاق المستقبل

“نحن مفتونون بعملية التحليل الطيفي هذه ، ونحن متحمسون لتحويلها إلى أداة جديدة للتصوير الحيوي الحديث” ، كما يقول هامين وانج ، المؤلف المشارك للدراسة وأبحاث ما بعد الدكتوراه في الكيمياء. “على مدى السنوات الثلاث الماضية ، كنا في مغامرة لبناء مجهر النار المخصص لدينا واكتساب فهم أعمق لهذه العملية الطيفية ، والتي مكنتنا من تحسين كل مكون في نظامنا لتحقيق الأداء الذي لدينا الآن.”

في ورقتهم ، وصف العلماء أيضًا القدرة على ترميز الجزيئات الحيوية بـ “الألوان” ، مما يسمح لهم بتمييز أحدها عن الآخر. يتم ذلك باستخدام عدة نظائر للذرات التي تشكل جزيء الصبغة. (النظائر هي أشكال لعنصر بأوزان ذرية مختلفة لأن نواتها تحتوي على نيوترونات أكثر أو أقل). يتغير التردد الذي تهتز به روابطها مع زيادة أو نقص كتلة الذرات.

يقول وي: “على عكس الميكروسكوب الفلوري التقليدي ، الذي يمكنه فقط تمييز بضعة ألوان في كل مرة ، يستخدم Bonfire ضوء الأشعة تحت الحمراء لتحفيز روابط كيميائية مختلفة وإنشاء قوس قزح من الألوان الرنانة”. “يمكننا تسمية وتصوير أهداف متعددة في وقت واحد من نفس العينة وكشف التنوع الجزيئي للحياة بتفاصيل مذهلة. ونأمل في إظهار قدرات التصوير بعشرات الآلاف من الألوان في الخلايا الحية في المستقبل.

المرجع: “بوند التصوير الانتقائي الفلوري بحساسية جزيء واحد” بقلم هامين وانج ، دونجكوان لي ، يولو جاو ، شياوديان باي ، جياجون دو ، كون مياو ، ولو وي ، 29 يونيو 2023 ، الضوئيات الطبيعية.
DOI: 10.1038 / s41566-023-01243-8

المؤلفون المشاركون الإضافيون هم طلاب الدراسات العليا في الكيمياء ، Yulu Gao ، و Xiaodian Bai ، و Jiajun Du ، و Kun Miao.

تمويل البحث المعاهد الوطنية للصحة وألفريد ب. مؤسسة سلون.