Stanford'dan Devrim: Canlı Hücreleri Tüm Detaylarıyla Gösteren Yeni Mikroskop

Stanford Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, canlı hücrelerin içindeki nanoyapıların etkileşimlerini şimdiye kadar elde edilmiş en yüksek çözünürlükle görüntüleyebilen devrim niteliğinde bir mikroskop geliştirdi. İki farklı mikroskopi yöntemini tek bir cihazda birleştiren bilim insanları, hücre yapılarının gerçek zamanlı etkileşimlerini 120 nanometre gibi benzeri görülmemiş bir çözünürlükle yakalamayı başardı. Bu başarı, herhangi bir floresan işaretleyici kullanılmadan ulaşılan en yüksek çözünürlük olarak kayıtlara geçti.

"İnterferometrik Görüntü Tarama Mikroskopi" (iISM) olarak adlandırılan bu yeni teknoloji, bilim insanlarına hücresel yapıları daha geniş bir çevre içerisinde izleme imkanı tanıyor. Bu sayede hücrelerin, patojenler gibi istilacılara veya ilaçlara nasıl tepki verdiği çok daha net bir şekilde gözlemlenebiliyor. Geliştirilen bu yenilikçi yöntem, prestijli "Light: Science and Applications" dergisinde detaylandırıldı.

Çalışmanın kıdemli yazarı ve Stanford Beşeri Bilimler ve Bilimler Okulu Kimya Profesörü W.E. Moerner, yeni mikroskobun hücre içine dair fantastik bir bakış açısı sunduğunu belirtti. Moerner, hücre içindeki minik yapıların ve makinelerin, onları gözlemlemek için dışarıdan floresan eklemeye gerek kalmadan nasıl hareket ettiğini, değiştiğini ve etkileşime girdiğini görebildiklerini vurgulayarak, bu teknolojinin yaşamı yöneten karmaşık hücresel kutulara dair harika bir pencere açtığını ifade etti.

iISM teknolojisinin yaşam bilimlerinin birçok alanında yeni keşiflere kapı açması bekleniyor. Özellikle hastalık mekanizmalarının araştırılması, yeni ilaçların geliştirilmesi ve bitkiler ile mikroplar arasındaki etkileşimlerin incelenmesi gibi kritik alanlarda bu yöntemin büyük rol oynayacağı öngörülüyor. Her ne kadar iISM, bazı aşırı uzmanlaşmış mikroskopların çözünürlük seviyelerine henüz ulaşmasa da, "işaretleyici içermeyen" (label-free) yaklaşımı çok büyük avantajlar sağlıyor.

Geleneksel floresan tabanlı yöntemlerde genellikle aynı anda sadece birkaç seçilmiş yapı işaretlenebilirken, iISM ile birçok hücresel yapı aynı anda ve çok daha uzun süreler boyunca takip edilebiliyor. Ayrıca, floresan sinyallerin zamanla solması ve işaretleyicilerin hücreye tanıtılmasının zorluğu gibi problemler iISM ile ortadan kalkıyor. Daha da önemlisi, kullanılan işaretleyicilerin bazen incelenen yapıların doğal davranışlarını değiştirebildiği bilinirken, iISM bu riski tamamen yok ediyor.

Sistem, benzer yüksek kontrastlı ve işaretleyici içermeyen yöntemlere kıyasla çok daha düşük aydınlatma gücüyle çalışıyor. Bu düşük enerji kullanımı, canlı hücrelerde ışık kaynaklı hasar riskini azaltıyor ve gözlemlenen küçük, hassas yapıların görüntüleme işlemi sırasında bozulma ihtimalini minimuma indiriyor. Çalışmanın ilk yazarı olan doktora sonrası araştırmacı Michelle Kueppers, bu yeni mikroskobun on yıllardır biyolojide önemli içgörüler sağlayan floresan mikroskobunun yerini almak için değil, onu tamamlamak için tasarlandığını belirtti.

Kueppers, her yöntemin kendine özgü avantajları ve dezavantajları olduğunu, gelecekte bu iki yöntemin tamamlayıcı olarak kullanılacağına inandıklarını söyledi. Floresanın moleküler özgüllük gücü ile iISM'nin işaretleyici gerektirmeyen bağlamsal ve dinamik görüntüleme gücü birleştiğinde, daha önce yanıtlanması zor olan soruların çözülebileceği vurgulandı.

iISM'nin yüksek çözünürlük ve hassasiyete ulaşması, iki farklı mikroskopi yaklaşımının güçlü yönlerinin birleştirilmesiyle mümkün oldu. 2014 Nobel Kimya Ödülü sahibi W.E. Moerner, doktora çalışmaları "interferometrik saçılma mikroskopi" üzerine olan Michelle Kueppers'i ekibine dahil ederek bu sinerjiyi yarattı. Gökyüzünün mavi görünmesine neden olan "saçılma" prensibine dayanan bu yöntemde, bir lazer hücreye yöneltiliyor ve hücre içindeki minik yapılar bu ışığın bir kısmını saçıyor. İkinci bir lazer ışını ise bu zayıf saçılan ışığı tespit edilebilecek kadar güçlendirerek küçük yapıların görünür olmasını sağlıyor.

Teknolojinin merkezindeki asıl yenilik, interferometrik saçılmanın yeni nesil konfokal mikroskoplardan uyarlanan bir fikirle eşleştirilmesi oldu. Geleneksel konfokal mikroskoplar tek bir dedektör ve iğne deliği (pinhole) kullanırken, iISM'de kamera tabanlı bir dizi dedektör (array detector) kullanıldı. Bu sistem, tek bir dedektöre göre çok daha fazla ışık toplayarak derinlik ve hassasiyeti artırıyor. Bu durum, iki insan gözünün ön planı arka plandan ayırmak için bilgi toplamasına benziyor; ancak iISM, iki göz yerine yüzlerce farklı bakış açısını aynı anda kullanan bir dizi dedektör sistemiyle çalışıyor.

Araştırmacılar, bu çoklu ölçümleri daha keskin detaylara ve daha güçlü kontrasta sahip görüntülere dönüştüren bir yöntem geliştirdi. Sonuç olarak, daha az lazer gücü kullanarak ve görüntüleme hızını koruyarak 120 nanometre çözünürlüğe ulaşan, hücre dostu bir mikroskop ortaya çıktı. Moerner ve Kueppers şu anda teknolojiyi daha da geliştirmek ve diğer bilim insanlarının kullanımına sunmak için çalışıyorlar.

Halihazırda üç farklı iş birliği projesi başlatan ekip; bitki hücreleri, mantarlar ve bakteriler arasındaki gerçek zamanlı etkileşimleri izlemek, bir kanser ilacının hücreye giriş sürecini gözlemlemek ve sıtma enfeksiyonu sırasında alyuvarların nasıl şekil değiştirdiğini incelemek üzerine odaklanmış durumda. Michelle Kueppers, iISM'nin niş bir teknik olmadığını, geniş uygulama alanlarına sahip olduğunu ve yaşam bilimleri topluluğuna hizmet ederek birçok yeni keşfe öncülük edeceğini belirtti.