Εντυπωσιακές εικόνες από εξελιγμένα ηλεκτρονικά μικροσκόπια
Ριζικά αλλάζει τα δεδομένα στην έρευνα μία καινοτόμος τεχνική ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, καθώς για πρώτη φορά επιτρέπει τη λεπτομερή απεικόνιση των συστατικών των κυττάρων. Συγκεκριμένα, η κρυο-ηλεκτρονική μικροσκοπία θεωρείται μια ανακάλυψη- ορόσημο για την επιστημονική κοινότητα καθώς με τη χρήση της αντιμετωπίζονται σημαντικά εμπόδια που για πολλά χρόνια περιόριζαν την έρευνα.
Κι ενώ η κρυο-ηλεκτρονική μικροσκοπία είναι μια τεχνική που είναι γνωστή εδώ και δεκαετίες, τα τελευταία χρόνια αναπτύχθηκε σημαντικά η τεχνολογία και τα απαραίτητα λογισμικά ανάλυσης των εικόνων, γεγονός που κατέστησε εφικτή την παρατήρηση των βιομορίων με την υψηλότερη δυνατή ευκρίνεια. Μέχρι τότε το κυρίαρχο εργαλείo που είχαν οι ερευνητές στη διάθεσή τους για να μελετήσουν βιομόρια, όπως για παράδειγμα πρωτεΐνες, ήταν η κρυσταλλογραφία με ακτίνες Χ. Η συγκεκριμένη τεχνική έχει, όμως, αρκετούς περιορισμούς. Σε αυτήν την προσέγγιση η εξεταζόμενη πρωτεΐνη πρέπει να εξαχθεί από το κύτταρο και να μετατραπεί σε κρύσταλλο, ο οποίος βομβαρδίζεται με ακτίνες Χ. Η κρυσταλλογραφία επέτρεψε την ανακάλυψη της διπλής έλικας του DNA, καθώς επίσης και την εξιχνίαση της δομής παραπάνω από 10.000 πρωτεϊνών. Παρόλα αυτά είναι μια πολύπλοκη και αρκετά χρονοβόρα διαδικασία. Σε ορισμένες περιπτώσεις χρειάζονται πολλοί μήνες μέχρι και χρόνια για να κατορθώσει κάποιος να κρυσταλλοποιήσει μια πρωτεΐνη, ενώ για αρκετές σημαντικές πρωτεΐνες κάτι τέτοιο δεν είναι εφικτό.
Στη μέθοδο της κρυο- ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, προκειμένου να παρατηρηθούν τα βιομόρια σε πολύ υψηλή ευκρίνεια καταψύχονται και βομβαρδίζονται με ηλεκτρόνια. Στη συνέχεια τα ηλεκτρόνια καθώς αλληλεπιδρούν με τα βιομόρια εκτρέπονται, αλλάζουν, δηλαδή, πορεία. Από τη μελέτη της εκτροπής των ηλεκτρονίων με τη χρήση πολύπλοκων μαθηματικών αλγορίθμων λαμβάνονται πληροφορίες για τη δομή των υπό εξέταση βιομορίων. Στη συνέχεια οι δισδιάστατες προβολές τους μετατρέπονται σε τρισδιάστατες εικόνες μεγάλης διακριτικής ικανότητας. Η βελτίωση της κρυο- ηλεκτρονικής μικροσκοπίας χάρισε το Νόμπελ Χημείας το 2017 σε τρεις επιστήμονες και το 2016 χαρακτηρίστηκε ως «η μέθοδος της χρονιάς» από επιστημονικά περιοδικά υψηλού κύρους.
Περιπλάνηση σε έναν φανταστικό μικρόκοσμο
Οι επιστήμονες πλέον μπορούν να παρατηρούν τα συστατικά του κυττάρου, χωρίς να χρειάζεται να τα απομακρύνουν από τα κύτταρα. ‘Έτσι τους δίνεται η δυνατότητα να αποκτήσουν μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα όχι μόνο για τη δομή, αλλά και για τη λειτουργία των συστατικών του κυττάρου, αλλά και για το πως αυτά αλληλεπιδρούν στο εσωτερικό του. Και ενώ φαίνεται ότι υπάρχουν ακόμα πολλά περιθώρια βελτίωσης, η εξέλιξη της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας και οι δυνατότητες που αυτή προσφέρει, έχουν ενθουσιάσει την επιστημονική κοινότητα. Μέχρι στιγμής με αυτήν την τεχνική έχει προσδιοριστεί η δομή περισσότερων από 10.000 βιομορίων. Στις αρχικές μελέτες τα βακτήρια και τα Αρχαία μπήκαν στο στόχαστρο των επιστημόνων κι έτσι προέκυψε ο πρώτος ηλεκτρονικός άτλαντας με τρισδιάστατες εικόνες και βίντεο που αποκαλύπτουν σημαντικές πληροφορίες για αυτούς τους οργανισμούς. Ένα ακόμα κυρίαρχο αντικείμενο μελέτης είναι οι πρωτεΐνες που αποτελούν στόχους διαφόρων φαρμάκων, όπως οι πρωτεΐνες της κυτταροπλασματικής μεμβράνης των κυττάρων που ελέγχουν ποιες ουσίες θα μπουν και ποιες θα βγουν από τα κύτταρα. Ήδη πολλές ερευνητικές προσπάθειες και δημοσιεύσεις σε διεθνή περιοδικά κινούνται προς αυτήν την κατεύθυνση και τα αποτελέσματα αναμένεται να πυροδοτήσουν σημαντικές εξελίξεις στη φαρμακευτική αντιμετώπιση πολλών ασθενειών.
Ανάγκη για περαιτέρω βελτίωση της τεχνικής
Ωστόσο ορισμένοι επιστήμονες επισημαίνουν ότι χρειάζεται η τεχνική να βελτιωθεί ακόμα περισσότερο έτσι ώστε να επιτευχθεί ακόμα μεγαλύτερη διακριτική ανάλυση, η οποία αφορά το ελάχιστο μέγεθος που πρέπει να έχει ένα αντικείμενο ώστε να ξεχωρίζει στην εικόνα. Σήμερα η ανάλυση φτάνει το επίπεδο του νανομέτρου και είναι αρκετή ώστε να αποκαλύπτεται το σχήμα των πρωτεϊνών ή η σύνδεσή τους με άλλα βιομόρια. Άλλος περιοριστικός παράγοντας αποτελεί το γεγονός ότι απεικονίζεται ένα πολύ μικρό κομμάτι του υπό εξέταση δείγματος και αυτό περιορίζει τη μελέτη των οργανιδίων των κυττάρων στην ολότητά τους. Αν θέλει κάποιος, για παράδειγμα, να μελετήσει τον πυρήνα του κυττάρου, το οργανίδιο που περικλείει το γενετικό υλικό, θα κατορθώσει να παρατηρήσει εντυπωσιακές λεπτομέρειες που αφορούν όμως ένα μικρό κομμάτι του.
Οι εικόνες που προκύπτουν από την κρυο- ηλεκτρονική μικροσκοπία, που μοιάζουν να προέρχονται από ταινία φαντασίας, συναρπάζουν ακόμα και τον πιο απαιτητικό θεατή. Πέρα από την ομορφιά και τη μαγεία εξερεύνησης του εσωτερικού των κυττάρων, τα πεδία αξιοποίησης αυτού του εργαλείου φαντάζουν απεριόριστα. Από τη μελέτη των μικροοργανισμών, της δομής τους και του τρόπου που μολύνουν τα κύτταρα, μέχρι την παρατήρηση των δομικών και λειτουργικών συστατικών των κυττάρων και της απορρύθμισής τους στις διάφορες ασθένειες, πολλά ανεξερεύνητα μυστικά αναμένεται να εξιχνιαστούν στο άμεσο μέλλον.
Πηγές:
1. Kwon D. The secret lives of cells as never seen before. Nature 598, 558-560 (2021)
2. https://jensenlab.caltech.edu/book/
