دانشمندان اکنون می‌توانند تا حد تقریباً مولکولی چین‌خوردگی DNA را مشاهده کنند

این یافته می‌تواند در نهایت امکان استفاده از الگوی بسته‌بندی DNA در سلول‌ها را برای تشخیص و درمان بیماری‌ها فراهم کند.

در سلول‌های حفظ‌شده، پروب‌های فلورسنت جدید به پژوهشگران اجازه داد تا مولکول‌های رنگی منفرد را تا حدود ۳ نانومتر (نزدیک به عرض خود مارپیچ دوگانه DNA) با دقت تعیین کنند. همین مولکول‌ها همچنین می‌توانند نحوه بسته‌بندی و حرکت DNA را در داخل سلول‌های زنده آشکار سازند و راهی را برای بررسی کروماتین با وضوحی فراهم کنند که پیش از این دستیابی به آن بدون کشتن سلول‌ها دشوار بود.

وقتی تیم تحقیقاتی پروب‌ها را روی بافت روده حفظ‌شده در پارافین سه بیمار مبتلا به سرطان آزمایش کرد، تفاوت جالب دیگری نیز مشاهده نمود. DNA موجود در تومورها به وضوح شل‌تر و پراکنده‌تر از بافت سالم مجاور خود به نظر می‌رسید. پژوهش‌های دیگر نشان داده‌اند که DNA به تدریج هنگام پیشرفت سرطان باز می‌شود و این احتمال را تقویت می‌کند که میزان چین‌خوردگی آن می‌تواند در آینده اطلاعاتی درباره میزان پیشرفت یا تهاجمی بودن یک تومور ارائه دهد.

پزشکان در حال حاضر این نمونه‌های زیستی (بیوپسی) را با استفاده از یک تکنیک رنگ‌آمیزی بیش از یک قرن قدمت‌دار، صرفاً با چشم غیرمسلح ارزیابی می‌کنند. رویکرد جدید که در مجله Molecular Cell توصیف شده است، می‌تواند در نهایت اطلاعاتی درباره آرایش سه‌بعدی DNA را به عنوان نشانه‌ای دیگر برای تشخیص و درمان سرطان اضافه کند.

«با همان رنگ می‌توانیم دو کار کاملاً متفاوت انجام دهیم. در یک سلول زنده می‌توانیم حرکت DNA را تماشا کنیم که به ما می‌گوید کروماتین، حالت طبیعی DNA در سلول‌ها، چگونه رفتار می‌کند. در یک سلول حفظ‌شده می‌توانیم تا حدی بزرگ‌نمایی کنیم که تقریباً به مقیاس خود مولکول DNA برسیم. ترکیب هر دو رویکرد به ما کمک می‌کند تا یکی از لایه‌های اصلی کنترل در زیست‌شناسی انسان را با وضوحی بی‌سابقه ببینیم»،» پروفسار پیا کوسما، پژوهشگر ICREA و نویسنده ارشد این مطالعه توضیح می‌دهد.

هر سلول انسانی حدود دو متر (۶.۶ فوت) DNA را در فضایی بسیار کوچک بسته‌بندی می‌کند. میزان فشردگی چین‌خوردگی این DNA به تعیین این موضوع کمک می‌کند که کدام ژن‌ها فعال باشند و کدام‌یک خاموش بمانند.

مطالعه این سازمان‌دهی در سلول‌های زنده دشوار بوده است. بیشتر تصاویر چین‌خوردگی DNA از سلول‌هایی گرفته می‌شود که از قبل مرده‌اند، زیرا تکنیک‌های قدرتمند میکروسکوپی مورد استفاده برای ردیابی اجزای منفرد، اغلب به مواد شیمیایی خشن و نور لیزر شدید وابسته‌اند که سلول‌های زنده نمی‌توانند آن‌ها را تحمل کنند.

پژوهشگران در مرکز ژنومیک بارسلون (CRG)، دانشگاه شهر هنگ‌کنگ و بیمارستان مردمی استان گوانگ‌دونگ (آکادمی علوم پزشکی گوانگ‌دونگ) تحت دانشگاه پزشکی جنوبی، پروب‌های فلورسنتی طراحی کردند که می‌توانست این محدودیت را رفع کند.

این رنگ‌ها که HoT نامیده می‌شوند، می‌توانند به تنهایی وارد سلول‌های زنده شده و به DNA متصل شوند. آن‌ها مهندسی شده‌اند تا به صورت متناوب چشمک بزنند، یعنی به جای درخشش مداوم، روشن و خاموش شوند. پژوهشگران آن‌ها را در سلول‌های زنده پوست انسان و سلول‌های سرطانی HeLa کشت‌شده در آزمایشگاه آزمایش کردند.

آن رفتار چشمک‌زن برای تولید تصاویر sharper ضروری است. اگر تمام رنگ‌ها همزمان نور ساطع می‌کردند، سیگنال‌هایشان با هم محو می‌شد. با شناسایی پروب‌های منفرد هنگام روشن شدن آن‌ها، یک میکروسکوپ پیشرفته می‌تواند مکان آن‌ها را تعیین کند. سپس یک برنامه رایانه‌ای هزاران عکس لحظه‌ای را ترکیب می‌کند تا تصویری ایجاد کند که حدود ده برابر sharper از تصویری باشد که توسط یک میکروسکوپ معمولی تولید می‌شود.

«چالش کلیدی طراحی فلوروفورهایی با رفتار چشمک‌زن مناسب برای تصویربرداری با وضوح فوق‌العاده بود»،» پروفسار هونگیان سان در دانشگاه شهر هنگ‌کنگ، نویسنده مشترک ارشد این مطالعه بیان می‌کند.

یک میکروسکوپ معمولی نمی‌تواند اشیاء جدا شده با فاصله کمتر از حدود ۲۰۰ نانومتر را به وضوح از هم تشخیص دهد. با استفاده از پروب‌های جدید همراه با یک تکنیک با وضوح فوق‌العاده به نام STORM، پژوهشگران DNA را در داخل سلول‌های زنده با وضوح ۲۰ نانومتر تجسم کردند.

آن‌ها دقت بیشتری را در سلول‌های آزمایشگاهی حفظ‌شده شیمیایی به دست آوردند، جایی که ساختارهای سلولی در جای خود تثبیت شده‌اند. با استفاده از یک تکنیک میکروسکوپی دیگر به نام MINFLUX، تیم موفق شد مولکول‌های رنگی منفرد را تا حدود سه میلیاردم متر، یا ۳ نانومتر، موقعیت‌یابی کند.

«قطر مارپیچ دوگانه DNA تقریباً ۲ نانومتر است، بنابراین دقت موقعیت‌یابی ۳ نانومتری ما را به طور قابل توجهی به مقیاس فیزیکی خود مولکول DNA نزدیک می‌کند»،» آئینگ وانگ، نویسنده اول این مطالعه گفت.

پروب‌ها خارج از سلول‌های انسانی نیز کارآمد بودند. پژوهشگران آن‌ها را روی برش‌هایی از بافت چشم ماهی زبرا اعمال کردند. ماهی‌های زبرا می‌توانند شبکیه آسیب‌دیده را بازسازی کنند، فرآیندی که تصور می‌شود شامل شل شدن DNA توسط سلول‌ها باشد تا آن‌ها بتوانند دوباره انعطاف‌پذیر شوند.

پژوهشگران همچنین آزمایش کردند که آیا هوش مصنوعی می‌تواند سلول‌ها را بر اساس این تصاویر دقیق متمایز کند یا خیر. آن‌ها از AINU، مخفف «AI of the Nucleus» (هوش مصنوعی هسته)، برنامه‌ای که تیم در سال ۲۰۲۴ معرفی کرد و تصاویر با وضوح فوق‌العاده از DNA هسته را برای الگوهای بسیار ظریفی که برای چشم انسان نامرئی هستند، بررسی می‌کند، استفاده کردند.

پس از آموزش بر روی تصاویر جدید سلول‌های زنده، AINU سلول‌های پوست را از سلول‌های بنیادی با دقت ۹۶ تا ۹۸ درصد متمایز کرد. اگرچه هر دو نوع سلول دارای DNA یکسانی هستند، اما آن را به شکل متفاوتی بسته‌بندی می‌کنند و هوش مصنوعی قادر به تشخیص این تفاوت‌ها بود.

AINU در ابتدا فقط با سلول‌هایی کار می‌کرد که کشته و حفظ شده بودند. ترکیب آن با پروب‌های فلورسنت جدید اکنون به این برنامه اجازه می‌دهد تا سلول‌های زنده را تحلیل کند. پژوهشگران امیدوارند همان اصل می‌تواند در نهایت به تمایز بافت سرطانی از بافت سالم یا شناسایی سلول‌های بنیادی امیدبخش برای پزشکی بازساختی کمک کند.

این تکنیک هنوز محدودیت‌های مهمی دارد. مولکول‌های فلورسنت DNA را به طور کلی پوشش می‌دهند به جای اینکه یک ژن خاص را شناسایی کنند و sharp ترین تصاویر از سلول‌های حفظ‌شده به جای سلول‌های زنده به دست آمدند.

تیم اکنون در پی انجام کارهای پیگیری برای رفع این محدودیت است. MINFLUX همچنین پتانسیل تصویربرداری از پروب‌ها در سلول‌های زنده را دارد.

ارجاع: «HoT auto-blinking probes enable real-time, super-resolution chromatin imaging in live cells and tissues» توسط آئینگ وانگ، شانشان لیو، هنگ شی، میخائیل روتکوویچ، کارلوتا ویانا، هویی ژونگ، لیمئی ژونگ، لینگوآن منگ، یانوو لی، گویرونگ چن، شیائومینگ ژو، ژنزن ما، بینگ فو، آلوارو کاستلز-گارسیا، جیه ژانگ، هونگیان سان و ماریا پیا کوسما، ۲۸ اوت ۲۰۲۶، Molecular Cell.
DOI: 10.1016/j.molcel.2026.08.010