در قرن هفدهم، آنتونی ون لیوونهوک، برای نخستین بار، نور را با کمک عدسی‌ها، بر مجموعه‌ای سلولی متمرکز کرد؛ میکروسکوپ متولد شد و چشم انداز تازه‌ای در دنیای دانش پدیدار گشت.این روزها نیز جایزه‌ی نوبل به سه دانش‌مند، با فعالیت‌هایی در همین زمینه، رسیده‌است؛ این پژوهش‌گران مرزهایی را که برای وضوح تصویرهای برداشته‌شده از ساختارهای ملکول‌اندازه در سلول‌های زنده، متصور بودیم، شکسته‌اند.

با تلاش‌های استفان هل، ویلیام موئرنر و اریک بتزیگ در سال‌های ۱۹۹۰ تا ۲۰۰۰، زیست‌شناسان اکنون می‌توانند توزیع و حرکت پروتئین‌ها در سلول را، در زمان واقعی، ببینند -به عنوان نمونه در پیوندگاه نورون‌ها یا در تشکیل جنین، در تخم‌مرغ‌های بارورشده و در طول تقسیم سلولی‌.

استفن جاکوبز که با روش فوق واضح در موسسه‌ی شیمی بیوفیزیکی ماکس پلانک، در گوتینگن، کار می‌کند، می‌گوید: «در مسیر دانش یک انقلاب واقعی رخ داده است؛ چراکه دیگر می‌توانیم ساختارهایی را ببینیم که هرگز نمی‌توانستیم»... یا آن طور که کمیته‌ی جایزه‌ی نوبل معتقد است، دیگر نه میکروسکوپ، که نانوسکوپ!

همان طور که ارنست آبه، فیزیک‌دان آلمانی، در سال ۱۸۷۳ دریافت، حتی اگر عدسی‌ها نیز کاملا تمیز باشند، میکروسکوپ‌های نوری هم‌چنان تصویر محوی از سلول ارائه می‌دهند. طبق قوانین فیزیک، نمی‌توان چیزهایی را که کوچک‌تر از ۲۰۰ نانومتر هستند، با نور مرئی مشاهده کرد -این مقدار تقریبا مساوی با نصف طول موج نور مرئی است؛ در واقع اجسامی که کوچک‌تر از این اندازه باشند، مانند یک لکه به نظر می‌رسند. این وضوح که حد آبه در پراشیده شدن است، برای دیدن بخش‌های درون سلول مناسب می‌باشد اما در مشاهده‌ی جزئیات درونی آن‌ها به کار نمی‌آید. میکروسکوپ‌هایی که به جای نور با الکترون کار می‌کنند، وضوح بالاتری دارند اما تنها در خلا کار می‌کنند و به همین سبب کاربردشان تنها به بررسی اجسام غیرزنده محدود می‌شود.

نمی‌توان بر حد آبه غلبه کرد؛ اما برنده‌گان جایزه‌ی نوبل امسال، پیرامون این مساله تلاش کرده و به فن‌آوری‌هایی بر پایه‌ی استفاده از فلوروفورها یا ملکول‌های فلورسانت رسیده‌اند. در این روش‌ها که در زیست‌شناسی بسیار پرکاربرد شده‌اند، فلوروفورها با لیزری با طول موج ویژه‌ای گرم شده و نور تولید می‌کنند.

ازمیان بردن مرزهای محو

ویلیام موئرنر که اکنون در دانش‌گاه استنفورد، در کالیفرنیا فعال است، در ۱۹۸۹، در هم‌کاری با مرکز تحقیقاتی آی بی ام آلمادن، در سن خوزه، در تک ملکول، تابش فلورسانت کم‌نوری مشاهده نمود. او در سال ۱۹۹۷ و در زمان فعالیت در دانش‌گاه کالیفرنیا در سن دیگو، دریافت که چگونه می‌توان تابش فلورسانتی را کنترل کرده و ملکول‌ها را مانند یک لامپ خاموش و روشن نمود. اما هم‌چنان با مشکل مشابهی روبه‌رو بود؛ تنها در شرایطی که این تک ملکول‌ها بیش از ۲۰۰ نانومتر فاصله داشتند، می‌توانست آن‌ها را تشخیص دهد.

L.A. Cicero/Stanford Univ.

ویلیام موئرنر

دو سال پیش از آن، اریک بتزیگ که در آن زمان در آزمایش‌گاه بل در موری هیل، در نیوجرسی، فعال بود، پیش‌نهاد داد که اگر ملکول‌های گوناگون با رنگ‌های متفاوت بدرخشند، می‌توان با تهیه‌ی تصویرهای متوالی -که در یکی رنگ قرمز، در دومی رنگ سبز و در بعدی رنگ آبی گرفته می‌شود- وضوح را بالا برد. موئرنر نیز بر آن شد تا نشان دهد که می‌توان ملکول‌های یک‌سان را واداشت تا در زمان‌های متفاوت تابش فلورسانتی داشته باشند؛ این گونه دیدگاه بتزیگ می‌توانست به واقعیت نزدیک شود.

Matt Staley/Howard Hughes Medical Inst.

اریک بتزیگ

ده سال زمان لازم بود تا بتزیگ بتواند ادعای خود را در عمل ثابت کند. او پای‌گاه رسمی دانش را ترک کرد تا در کار و کسب موروثی‌شان در زمینه‌ی قطعات اتومبیل، در میشیگان، مشغول به کار شود. اما در سال ۲۰۰۶ در مجموعه‌ی پژوهشی جنلیا فارم، متعلق به موسسه‌ی دارویی هووارد هاگز، واقع در اشبورن، ویرجینیا، همین روش را به کار برد تا از یک پروتئین لیزوزم که با ملکول‌های فلورسانت سبز برچسب خورده بودند، تصویر فوق واضح بردارد. بنا بر گفته‌ی مارکوس سائور که در دانش‌گاه وورزبرگ، در آلمان، بر میکروسکوپ فوق واضح کار می‌کند، اکنون می‌توان با این ترفند، به وضوح ۲۰ نانومتر رسید.

زمانی که استفن هل در دانش‌گاه تورکو، در فنلاند، فعالیت می‌کرد، با کار بر حد آبه به روش متفاوتی رسید؛ این روش نیز بر پایه‌ی به کار بستن ملکول‌های فلورسانت و روشن و خاموش کردن آن‌ها، است. هل در ۱۹۹۴ پیش‌نهاد کرد تا از یک لیزر استفاده شود تا خوشه‌ای از ملکول‌های رنگی تابش فلورسانت کنند؛ سپس با لیزری دیگر که طول موج متفاوتی دارد، گروهی از آن‌ها را -با فرآیندی که آنشتاین در ۱۹۱۷ توضیح داده‌است- خاموش کنیم.

Bernd Shuller/Max Planck Inst. for Biophysical Chemistry

استفان هل

ترفند هل این است که با باریکه‌ی دومی، خطوط پیرامونی خوشه‌ای را که با باریکه‌ی نخستین روشن گشته‌است، مشخص کند تا تنها ملکول‌‌ها درون یک منطقه‌ی بسیار کوچک تابش فلورسانت کنند. بدیهی است تصویر نهایی هم‌چنان محو خواهد بود چراکه برای نور حد آبه وجود دارد؛ اما روشن است که نور تنها می‌توانسته از منطقه‌ی میانی کوچکی که باریکه‌ی دوم نقشه‌ی آن را داده‌است، آمده باشد.

هل که اکنون با موسسه‌ی شیمی زیست‌فیزیکی ماکس پلانک در کوتینگن هم‌کاری دارد، زمانی که از پیروزی خود در دریافت جایزه‌ی نوبل آگاه شد، به این کمیته گفت: «من فکر می‌کردم که در قرن بیستم در فیزیک آن قدر اتفاق افتاده‌است که دیگر باید پدیده‌ای هم برای غلبه بر محدودیت‌های پراش یافت شده‌باشد».

بنا بر گفته‌ی توماس کلار که در دانش‌گاه ژوهانس کپلر در لینز، در اتریش، فعال و در نوشتن مقاله‌ی اثبات اصول کلی، به سال ۲۰۰۰، هم‌کار هل بوده‌است، تمام اصول مکانیک کوانتومی‌ای که هل به کار بسته، تا اواخر دهه‌ی ۱۹۲۰ توسط فیزیک‌دان‌ها کشف شده‌بوده‌اند.

زمانی که از کمیته‌ی جایزه‌ی نوبل با هل تماس گرفته شد، او در حال مطالعه‌ی یک مقاله‌ی علمی بود. او می‌گوید: «ابتدا پاراگراف را تمام کردم. سپس با هم‌سرم تماس گرفته و بعد به دیگر نزدیکان فکر کردم».

هنوز روش‌هایی که این دانش‌مندان توسعه داده‌اند، به صورت منظم استفاده نمی‌شود اما بسیاری از زیست‌شناسان برای برداشتن تصاویر فوق‌العاده از ساختارهای درون‌سلولی آن‌ها را به کار می‌بندند. هل فیلم‌هایی از یک کیسه‌، با قطر ۴۰ نانومتر، که در یک رشته‌ی عصبی حرکت می‌کند، تهیه کرده است. خیاووی ژوانگ، شیمی‌دانی در دانش‌گاه هاروارد، در کمبریج، در ماساچوست، تغییرات دل‌خواه خود را اعمال کرده‌است. نسخه‌ی او که بازسازی نوری آشوب‌ناک نامیده‌می‌شود، در مشاهده‌ی اکتین که با یک الگوی حلقه‌ای به دور آکسون می‌پیچد، به کار می‌رود. هل می‌گوید: «در آینده نسخه‌های متفاوتی از میکروسکوپ فوق واضح ایجاد خواهد شد». 

منبع:

nobel-for-microscopy-that-reveals-inner-world-of-cells

مرجع: