يوفر تصور داخل الخلايا بدقة مستحيلة سابقًا رؤى حية حول كيفية عملها

تتكون الحياة كلها من خلايا أصغر بعدة مقادير من حبة ملح. تخفي هياكلها التي تبدو بسيطة المظهر النشاط الجزيئي المعقد والمعقد الذي يمكّنها من تنفيذ الوظائف التي تحافظ على الحياة. بدأ الباحثون في تصور هذا النشاط إلى مستوى من التفاصيل لم يكونوا قادرين عليه من قبل.

يمكن تصور الهياكل البيولوجية إما من خلال البدء على مستوى الكائن الحي بأكمله والعمل لأسفل ، أو البدء على مستوى الذرات المفردة والعمل. ومع ذلك ، كانت هناك فجوة في الدقة بين الهياكل الأصغر للخلية ، مثل الهيكل الخلوي الذي يدعم شكل الخلية ، وأكبر هياكلها ، مثل الريبوسومات التي تصنع البروتينات في الخلايا.

بالقياس على خرائط جوجل ، بينما كان العلماء قادرين على رؤية مدن ومنازل فردية بأكملها ، لم يكن لديهم الأدوات اللازمة لمعرفة كيف اجتمعت المنازل لتشكيل أحياء. تعتبر رؤية هذه التفاصيل على مستوى الحي أمرًا ضروريًا للقدرة على فهم كيفية عمل المكونات الفردية معًا في بيئة الخلية.

الأدوات الجديدة تعمل على سد هذه الفجوة بثبات. والتطوير المستمر لتقنية معينة ، التصوير المقطعي بالإلكترون بالتبريد ، أو cryo-ET ، لديه القدرة على تعميق كيفية دراسة الباحثين وفهمهم لكيفية عمل الخلايا في الصحة والمرض.

بصفتي رئيس التحرير السابق لمجلة العلوم وبصفتي باحثًا درس هياكل بروتينية كبيرة يصعب تصورها لعقود من الزمن ، فقد شهدت تقدمًا مذهلاً في تطوير الأدوات التي يمكنها تحديد الهياكل البيولوجية بالتفصيل. مثلما يصبح من الأسهل فهم كيفية عمل الأنظمة المعقدة عندما تعرف كيف تبدو ، فإن فهم كيفية ملاءمة الهياكل البيولوجية معًا في الخلية هو المفتاح لفهم كيفية عمل الكائنات الحية.

تاريخ موجز للفحص المجهري

في القرن السابع عشر ، كشف الفحص المجهري الضوئي لأول مرة عن وجود الخلايا. في القرن العشرين ، قدم الفحص المجهري الإلكتروني مزيدًا من التفاصيل ، وكشف عن الهياكل المعقدة داخل الخلايا ، بما في ذلك العضيات مثل الشبكة الإندوبلازمية ، وهي شبكة معقدة من الأغشية التي تلعب أدوارًا رئيسية في تخليق البروتين ونقله.

من الأربعينيات إلى الستينيات من القرن الماضي ، عمل علماء الكيمياء الحيوية على فصل الخلايا إلى مكوناتها الجزيئية وتعلم كيفية تحديد الهياكل ثلاثية الأبعاد للبروتينات والجزيئات الكبيرة الأخرى عند الدقة الذرية أو بالقرب منها. تم إجراء ذلك لأول مرة باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية لتصور بنية الميوجلوبين ، وهو بروتين يمد العضلات بالأكسجين.

على مدى العقد الماضي ، أدت التقنيات القائمة على الرنين المغناطيسي النووي ، والتي تنتج صورًا بناءً على كيفية تفاعل الذرات في المجال المغناطيسي ، والمجهر الإلكتروني بالتبريد إلى زيادة عدد وتعقيد الهياكل التي يمكن للعلماء تصورها.

ما هو جهاز cryo-EM و cryo-ET؟

يستخدم المجهر الإلكتروني المبرد ، أو cryo-EM ، كاميرا لاكتشاف كيفية انحراف حزمة من الإلكترونات أثناء مرور الإلكترونات عبر عينة لتصور الهياكل على المستوى الجزيئي. يتم تجميد العينات بسرعة لحمايتها من التلف الإشعاعي. يتم عمل نماذج مفصلة لهيكل الاهتمام من خلال التقاط صور متعددة للجزيئات الفردية وتوسيطها في بنية ثلاثية الأبعاد.

تشترك Cryo-ET في مكونات مماثلة مع cryo-EM ولكنها تستخدم طرقًا مختلفة. نظرًا لأن معظم الخلايا سميكة جدًا بحيث لا يمكن تصويرها بوضوح ، يتم أولاً إضعاف منطقة الاهتمام في الخلية باستخدام حزمة أيونية. ثم يتم إمالة العينة لالتقاط صور متعددة لها بزوايا مختلفة ، على غرار التصوير المقطعي المحوسب لجزء من الجسم – على الرغم من أن نظام التصوير نفسه في هذه الحالة مائل ، بدلاً من المريض. يتم بعد ذلك دمج هذه الصور بواسطة جهاز كمبيوتر لإنتاج صورة ثلاثية الأبعاد لجزء من الخلية.

دقة هذه الصورة عالية بما يكفي بحيث يمكن للباحثين – أو برامج الكمبيوتر – تحديد المكونات الفردية للهياكل المختلفة في الخلية. استخدم الباحثون هذا النهج ، على سبيل المثال ، لإظهار كيف تتحرك البروتينات وتتحلل داخل خلية طحلبية.

العديد من الخطوات التي كان على الباحثين القيام بها يدويًا لتحديد هياكل الخلايا أصبحت آلية ، مما يسمح للعلماء بتحديد الهياكل الجديدة بسرعات أعلى بكثير. على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي الجمع بين cryo-EM مع برامج الذكاء الاصطناعي مثل AlphaFold إلى تسهيل تفسير الصور من خلال التنبؤ بهياكل البروتين التي لم يتم تمييزها بعد.

فهم بنية الخلية ووظيفتها

مع تحسن طرق التصوير وسير العمل ، سيتمكن الباحثون من معالجة بعض الأسئلة الرئيسية في بيولوجيا الخلية باستراتيجيات مختلفة.

تتمثل الخطوة الأولى في تحديد الخلايا والأماكن المراد دراستها داخل تلك الخلايا. تقنية أخرى للتصور تسمى الضوء المترابط والمجهر الإلكتروني ، أو CLEM ، تستخدم علامات الفلورسنت للمساعدة في تحديد المناطق التي تحدث فيها عمليات مثيرة للاهتمام في الخلايا الحية.

يمكن أن توفر مقارنة الاختلاف الجيني بين الخلايا نظرة ثاقبة إضافية. يمكن للعلماء النظر إلى الخلايا غير القادرة على القيام بوظائف معينة ورؤية كيف ينعكس ذلك في بنيتها. يمكن أن يساعد هذا النهج الباحثين أيضًا في دراسة كيفية تفاعل الخلايا مع بعضها البعض.

من المرجح أن تظل Cryo-ET أداة متخصصة لبعض الوقت. لكن المزيد من التطورات التكنولوجية وزيادة إمكانية الوصول ستسمح للمجتمع العلمي بفحص الرابط بين البنية الخلوية والوظيفة عند مستويات التفاصيل التي تعذر الوصول إليها سابقًا. أتوقع رؤية نظريات جديدة حول كيفية فهمنا للخلايا ، والانتقال من أكياس غير منظمة من الجزيئات إلى أنظمة ديناميكية منظمة بشكل معقد.