یک میکروسکوپ ترکیبی که در آزمایشگاه زیست‌شناسی دریایی (MBL) توسعه یافته است، به دانشمندان اجازه می‌دهد تا هم جهت‌گیری سه‌بعدی و هم موقعیت مجموعه‌های مولکولی، مانند پروتئین‌های نشان‌دار شده در داخل سلول‌ها را ثبت کنند.
این میکروسکوپ، فلورسانس قطبی شده، که جهت‌گیری مولکولی را اندازه‌گیری می‌کند، را با یک میکروسکوپ لایه نوری دو منظره (diSPIM) که جزئیات عمق را در یک نمونه ثبت می‌کند، ترکیب می‌کند. این فناوری می‌تواند برای مطالعه پروتئین‌ها مفید باشد، زیرا آنها جهت‌گیری سه‌بعدی خود را در پاسخ به محیط خود تغییر می‌دهند تا با سایر مولکول‌ها تعامل داشته باشند و عملکردهای خود را انجام دهند.
تصویربرداری پیشرفته جزئیات مولکولی پنهان را آشکار می‌کند
به گفته تالون چندلر از CZ Biohub سان فرانسیسکو، نویسنده اول این مطالعه و دانشجوی سابق فارغ‌التحصیل دانشگاه شیکاگو که بخشی از این تحقیق را در MBL انجام داده است، این ابزار به محققان اجازه می‌دهد تا تغییرات در جهت‌گیری پروتئین سه‌بعدی را ثبت کنند.
این قابلیت بینش‌هایی را ارائه می‌دهد که ممکن است هنگام نگاه کردن فقط به موقعیت یک مولکول از دست بروند. یک مثال، تصویربرداری از مولکول‌ها در دوک تقسیم سلولی است، چالشی که مدت‌هاست در MBL و سایر موسسات تحقیقاتی مورد مطالعه قرار گرفته است.
رودولف اولدنبورگ، دانشمند ارشد در MBL و نویسنده همکار این مطالعه، توضیح داد که میکروسکوپ سنتی، از جمله نور قطبی شده، می‌تواند به طور موثر از دوک تقسیم سلولی در زمانی که عمود بر جهت دید است، تصویربرداری کند. با این حال، هنگامی که دوک کج می‌شود، خوانش مبهم می‌شود. ابزار جدید با تنظیم برای کج شدن بر این محدودیت غلبه می‌کند و به محققان اجازه می‌دهد تا هم جهت‌گیری سه‌بعدی و هم موقعیت مولکول‌های دوک تقسیم سلولی، مانند میکروتوبول‌ها را به طور دقیق ثبت کنند.
اکنون، این تیم قصد دارد سرعت سیستم را بهبود بخشد تا بتواند نحوه تغییر موقعیت و جهت‌گیری ساختارها را در نمونه‌های زنده در طول زمان ثبت کند. آنها همچنین امیدوارند که کاوشگرهای فلورسنت آینده استفاده از آن را گسترش دهند و به محققان اجازه دهند تا طیف گسترده‌تری از ساختارهای بیولوژیکی را تصویربرداری کنند.
نوآوران میکروسکوپ رویکرد جدیدی را در MBL توسعه می‌دهند
ایده این میکروسکوپ در سال 2016 از طریق جلسات طوفان فکری در میان نوآوران میکروسکوپ در MBL شکل گرفت. هاری شروف از HHMI Janelia، که در آن زمان در موسسات ملی بهداشت (NIH) و عضو Whitman MBL بود، از میکروسکوپ diSPIM سفارشی خود در MBL استفاده می‌کرد، که با همکاری Abhishek Kumar، که اکنون در MBL است، توسعه یافته بود.
میکروسکوپ diSPIM دارای دو مسیر تصویربرداری است که در زاویه قائمه تلاقی می‌کنند و به محققان اجازه می‌دهند تا نمونه را از هر دو دیدگاه روشن و ثبت کنند. این رویکرد دو منظره در مقایسه با یک منظره، وضوح عمق را بهبود می‌بخشد و کنترل بیشتری بر قطبش در طول تصویربرداری فراهم می‌کند.
شروف و اولدنبورگ تشخیص دادند که میکروسکوپ دو منظره می‌تواند به غلبه بر محدودیت میکروسکوپ نور قطبی شده کمک کند - دشواری در روشن کردن کارآمد یک نمونه با نور قطبی شده در امتداد جهت انتشار نور. با گنجاندن دو نمای متعامد، آنها فرصتی را برای بهبود تشخیص فلورسانس قطبی شده دیدند و استفاده از سیستم diSPIM را برای چنین اندازه‌گیری‌هایی بررسی کردند.
شروف با پاتریک لا ریویر از دانشگاه شیکاگو همکاری کرد، که دانشجوی او تالون چندلر به این پروژه در MBL پیوست. پایان‌نامه دکترای چندلر بر ادغام این دو سیستم متمرکز بود و به مدت یک سال در آزمایشگاه اولدنبورگ کار می‌کرد. این تیم، از جمله شالین مهتا، diSPIM را به کریستال‌های مایع مجهز کردند تا جهت قطبش ورودی را کنترل کنند.
چندلر زمان قابل توجهی را صرف بررسی نحوه بازسازی داده‌ها و به حداکثر رساندن آنچه می‌توان از آن بازیابی کرد، اختصاص داد. مین گئو، نویسنده همکار، که در آن زمان در آزمایشگاه قبلی شروف در NIH بود، نیز به طور گسترده روی این جنبه کار کرد و آنها با هم به هدف خود یعنی بازسازی کامل سه‌بعدی جهت‌گیری و موقعیت مولکولی دست یافتند.