التكبير عبر الزمان والمكان في وقت واحد باستخدام الدقة الفائقة لفهم كيفية انقسام الخلايا

يعد الانقسام الخلوي ، أو عملية كيفية ظهور الخلايا الوليدة من الخلية الأم ، أمرًا أساسيًا في علم الأحياء. ترث كل خلية نفس لبنات بناء البروتين والحمض النووي التي تشكل الخلية التي جاءت منها في الأصل. ومع ذلك ، فإن الكيفية التي ترتب بها وحدات البناء الجزيئية نفسها في خلايا جديدة ظلت لغزا.

تتطلب دراسة الانقسام الخلوي مشاهدة الجزيئات الضخمة على نطاق النانومتر في وقت واحد مثل البروتينات والحمض النووي وصولاً إلى تجمعات الخلايا على نطاق مليمتر ، وعلى مدى إطار زمني يتراوح من ثوانٍ إلى أسابيع. كانت المجاهر السابقة قادرة على التقاط أجسام صغيرة فقط في أطر زمنية قصيرة ، وعادة ما تكون عشرات الثواني فقط. لم تكن هناك طريقة يمكنها فحص مجموعة كبيرة من المقاييس الزمنية والحجم دفعة واحدة.

طورت أنا وفريقي في مجموعة Bioplasmonics في جامعة ميشيغان نوعًا جديدًا من التصوير عالي الدقة الذي يكشف عن ميزات غير معروفة سابقًا لكيفية انقسام الخلايا.

تطوير التصوير عالي الدقة

لم يكن من الممكن رؤية الخلايا على المستوى الجزيئي حتى وقت قريب مع تطوير الدقة الفائقة الحائز على جائزة نوبل عام 2014.

تعمل مجاهر الضوء التقليدية على تعتيم الأجسام الصغيرة جدًا القريبة من بعضها البعض في عينة ، لأن الضوء ينتشر أثناء تحركه عبر الفضاء. باستخدام الدقة الفائقة ، يمكن تشغيل مجسات الفلورسنت الملحقة بالعينة وإيقاف تشغيلها مثل النجوم المتلألئة في ليلة صافية. من خلال جمع العديد من صور هذه المجسات ودمجها ، يمكن للصورة فائقة الدقة أن تعرض كائنات صغيرة جدًا. فتح الحل الفائق عالمًا جديدًا بالكامل في علم الأحياء ، حيث كشف عن هياكل صغيرة تصل إلى 10 نانومتر ، وهو حجم جزيء البروتين تقريبًا.

ومع ذلك ، فإن مجسات الفلورسنت التي تعتمد عليها هذه التقنية يمكن أن تبلى بسرعة. هذا يحد من استخدامه في دراسة العمليات التي تحدث على مدى فترات طويلة ، مثل انقسام الخلايا.

لقد طورنا أنا وفريقي البحثي حلاً نسميه تنظير PINE النانوي. بدلاً من امتصاص الضوء كما تفعل مجسات الفلورسنت التقليدية ، تقوم المجسات التي نستخدمها بتشتيت الضوء حتى لا تتعطل مع التعرض المتكرر للضوء.

لحل الأجسام الصغيرة جدًا القريبة من بعضها البعض ، قمنا ببناء مرشحات مصنوعة من طبقات رقيقة من البوليمرات والبلورات السائلة التي تسمح باكتشاف الضوء المتناثر ، مما يؤدي إلى تشغيل المجسات وإيقافها. سمح لنا ذلك برؤية تفاصيل على نطاق نانومتر للخلايا التي لولا ذلك من الممكن أن يتم تشويشها بواسطة المجاهر التقليدية.

بشكل ملحوظ ، وجدنا أنه يمكن عرض تفاصيل مقياس النانومتر هذه لفترات طويلة جدًا – أكثر من 250 ساعة. عادةً ما تُفقد هذه التفاصيل بمرور الوقت باستخدام طرق الدقة الفائقة التقليدية.

إلقاء ضوء جديد على انقسام الخلايا

ثم طبقنا طريقتنا لدراسة كيفية تنظيم كتل البناء الجزيئية في انقسام الخلية.

ركزنا على بروتين يسمى الأكتين يساعد في الحفاظ على بنية الخلية ، من بين العديد من الوظائف الأخرى. يتشكل الأكتين على شكل خيوط متفرعة ، يبلغ قطر كل منها حوالي 7 نانومتر (أجزاء من المليون من المليمتر) ، والتي ترتبط ببعضها البعض لتمتد لآلاف النانومترات. باستخدام التنظير النانوي PINE ، قمنا بربط مجسات التشتت بالأكتين لتتبع الخلايا البشرية بصريًا أثناء انقسامها.

لقد أجرينا ثلاث ملاحظات حول كيفية تنظيم كتل بناء الأكتين أثناء انقسام الخلية. أولاً ، تتوسع كتل البناء الجزيئية هذه لزيادة روابطها بجيرانها. ثانيًا ، يقتربون أيضًا من جيرانهم لزيادة نقاط اتصالهم. وثالثًا ، تميل الشبكات الناتجة إلى الانكماش عندما تكون جزيئات الأكتين أكثر ارتباطًا ببعضها البعض وتتوسع عندما تكون أقل ارتباطًا ببعضها البعض.

بناءً على هذه النتائج ، تمكنا من اكتشاف معلومات جديدة حول عملية انقسام الخلايا. وجدنا أن التفاعلات بين كتل بناء الأكتين تتزامن مع تقلص وتوسع الخلية بأكملها أثناء الانقسام. بمعنى آخر ، يرتبط سلوك جزيئات الأكتين بسلوك الخلية: تتقلص الخلية عندما يتوسع الأكتين ، وتتوسع عندما يتقلص الأكتين.

الكشف عن المرض بدقة فائقة

نحن نخطط لاستخدام طريقتنا لدراسة كيفية تنظيم كتل البناء الجزيئية الأخرى في الأنسجة والأعضاء. مثل الخلايا ، يتم تنظيم الأنسجة والأعضاء في تسلسل هرمي يمكن فحصه من مقياس صغير إلى كبير. يمكن أن يؤدي فحص العملية الديناميكية والمعقدة لكيفية تفاعل وحدات بناء البروتين مع بعضها البعض لتشكيل هياكل أكبر إلى تعزيز الإنشاء المستقبلي لأنسجة وأعضاء بديلة جديدة ، مثل ترقيع الجلد.

نخطط أيضًا لاستخدام تقنية التصوير الخاصة بنا لدراسة كيف تصبح كتل بناء البروتين غير منظمة في المرض. تنتظم البروتينات في خلايا ، وتتنظم الخلايا في أنسجة وتنظم الأنسجة في أعضاء. يمكن لتغيير بسيط جدًا في اللبنات الأساسية أن يزعج هذه المنظمة ، مع تأثيرات يمكن أن تؤدي إلى أمراض مثل السرطان. يمكن لتقنيتنا أن تساعد الباحثين على تصور ، وبالتالي فهم أفضل لكيفية تطور العيوب الجزيئية في الأنسجة والأعضاء إلى مرض.