Para saintis telah menembusi halangan berusia satu abad dalam mikroskopi, membuka dunia yang sama sekali baru dalam perincian selular. Selama hampir 100 tahun, penyelidik terhad oleh had difraksi cahaya - tidak dapat melihat objek yang lebih kecil daripada 200 nanometer terpisah. Kini, teknik mikroskopi super-resolusi dapat membezakan objek sehingga 20 nanometer, mendedahkan struktur dan proses selular yang sebelum ini tidak dapat dilihat.
Komuniti saintifik telah menerima teknologi terobosan ini dengan antusiasme yang luar biasa. Penyelidik terkemuka seperti Ibrahim Cissé , yang kini mengarahkan Max Planck Institute , menggunakan pengimejan molekul tunggal dan super-resolusi untuk mengkaji pengelompokan protein dalam sel hidup. Karyanya menunjukkan bagaimana bidang ini telah menarik bakat peringkat tertinggi dan pembiayaan yang besar, dengan pengarah Max Planck mempunyai akses kepada sumber penyelidikan yang pada dasarnya tidak terhad.
 |
|---|
| Ilustrasi ini menonjolkan keupayaan mikroskopi super-resolusi dalam memvisualisasikan butiran halus struktur selular |
Teknik Pengimejan Revolusioner Mengubah Biologi Sel
Tiga pendekatan utama telah merevolusikan cara saintis memerhati sel hidup. Mikroskopi penyetempatan molekul tunggal menggunakan tag pendarfluor yang berkelip hidup dan mati, membolehkan komputer menentukan dengan tepat di mana setiap molekul berada. Penyusutan pelepasan terangsang menggunakan cincin laser berbentuk donat untuk mempertajam fokus dengan membatalkan cahaya yang tidak diingini. Mikroskopi pencahayaan berstruktur mengunjurkan corak cahaya berjalur yang mendedahkan perincian tersembunyi melalui kesan gangguan.
Teknik-teknik ini berfungsi secara berbeza daripada kaedah tradisional. Walaupun sesetengah aplikasi memerlukan sel tetap (tidak hidup), pendekatan yang lebih baru seperti PAINT dapat menjejaki molekul dalam sel hidup dengan mengesan peristiwa pengikatan dan pelepasan ikatan. Komuniti telah menyatakan bahawa MINFLUX , teknik terbaru dari makmal Stefan Hell , mewakili salah satu kemajuan paling menjanjikan dalam penjejakan sel hidup.
Perbandingan Teknik Mikroskopi Super-Resolusi
| Teknik | Kaedah | Resolusi | Kelebihan Utama |
|---|---|---|---|
| Penyetempatan molekul tunggal | Tag pendarfluor berkelip hidup/mati | Sehingga 20nm | Kedudukan molekul yang tepat |
| Penyusutan pancaran terangsang | Cincin laser berbentuk donat | Had sub-pembelauan | Kawalan fokus yang tajam |
| Pencahayaan berstruktur | Corak cahaya berjalur | Perincian dipertingkat melalui gangguan | Peningkatan berasaskan corak |
| MINFLUX | Penjejakan penyetempatan lanjutan | Ketepatan tertinggi | Penjejakan molekul sel hidup |
| Mikroskopi pengembangan | Pembesaran sampel secara fizikal | Pembesaran berkesan | Tiada kekangan had optik |
Menemui Seni Bina Selular Baru
Resolusi yang dipertingkatkan telah mendedahkan struktur selular yang sama sekali baru. Saintis menemui bahawa neuron mengandungi perancah cap jari yang dipanggil rangka berkala berkaitan membran (MPS), yang menyediakan sokongan struktur dan membantu mengawal isyarat saraf. Penemuan ini memerlukan ketepatan mikroskopi super-resolusi kerana struktur MPS wujud tepat di bawah had difraksi tradisional.
Penyelidik juga mendapati bahawa lisosom - unit pelupusan sisa selular - jauh lebih kompleks daripada yang dicadangkan buku teks. Lisosom yang berbeza membawa gabungan protein yang berbeza-beza pada permukaannya, menunjukkan mereka melakukan fungsi tambahan selain daripada pemecahan sisa, termasuk pembaikan membran dan rembesan selular.
Penemuan Selular Utama yang Dimungkinkan oleh Mikroskopi Super-Resolusi
- Rangka berkala berkaitan membran (MPS): Struktur perancah neuron yang menyediakan kekakuan dan pengawalseliaan isyarat
- Kepelbagaian protein lisosom: Gabungan protein yang berbeza-beza menunjukkan pelbagai fungsi selular selain daripada pelupusan sisa
- Corak organisasi kromatin: Pembungkusan DNA yang mendedahkan jenis sel dan keadaan pembezaan
- Pengesanan reseptor kanser: Pengenalpastian sasaran terapeutik yang tidak kelihatan kepada kaedah standard (serendah 5,000 protein di antara ratusan ribu)
- Mekanisme kemasukan virus: Keperluan pengikatan berbilang reseptor untuk pencerobohan selular
- Interaksi organel: Pemerhatian masa nyata sambungan mitokondria-retikulum endoplasma
Organisasi DNA Mendedahkan Identiti Sel
Mungkin yang paling mengejutkan, saintis kini dapat menentukan jenis sel yang mereka lihat hanya dengan memerhati bagaimana DNA-nya diatur. Apabila DNA berkemas ke dalam nukleus sel, ia membentuk gelung dan berkas yang hanya dapat dikaji dengan teknik super-resolusi. Sel stem embrionik, yang boleh menjadi sebarang jenis sel, menunjukkan organisasi DNA yang longgar dan berubah-ubah. Sel khusus membungkus gen yang tidak digunakan dengan ketat sambil mengekalkan gen aktif dalam susunan yang boleh diakses dan longgar.
Kami sebenarnya boleh menentukan sama ada sel itu adalah sel stem atau sel yang dibezakan berdasarkan organisasi spatial kromatin.
Penemuan ini mempunyai implikasi mendalam untuk memahami bagaimana sel mengekalkan identiti mereka dan bagaimana sel stem memutuskan apa yang hendak menjadi.
Meningkatkan Ketepatan Rawatan Kanser
Teknologi ini sudah meningkatkan terapi kanser. Penyelidik mendapati bahawa sesetengah rawatan yang berjaya berfungsi walaupun kaedah pengesanan standard tidak dapat menemui protein sasaran mereka. Mikroskopi super-resolusi mendedahkan bahawa terapi imun pembunuh kanser memerlukan serendah 5,000 protein reseptor khusus di antara ratusan ribu protein lain pada permukaan sel kanser.
Ketepatan ini membolehkan doktor memadankan pesakit dengan rawatan yang berkesan dengan lebih baik dan telah membawa kepada pengenalpastian sasaran terapeutik baru. Keupayaan untuk memvisualisasikan dengan tepat bagaimana sel imun membunuh sel kanser membantu penyelidik meningkatkan keberkesanan terapi.
Menjejaki Jangkitan Virus Secara Masa Nyata
Saintis menggunakan teknik ini untuk menonton virus menyerang sel, yang berpotensi membawa kepada ubat antivirus yang lebih baik. Penyelidikan mengenai virus Zika menunjukkan bahawa ia mesti melekat pada beberapa protein reseptor sebelum ia dapat memasuki sel - bukan hanya satu seperti yang difikirkan sebelum ini. Kajian mengenai COVID-19 mendedahkan bahawa virus mencipta gelembung pelindung di dalam sel di mana ia menyalin bahan genetiknya, melindungi dirinya daripada pertahanan selular.
Bidang ini terus berkembang dengan pesat, dengan syarikat seperti Eikon Therapeutics membina seluruh platform penemuan ubat di sekitar mikroskopi super-resolusi. Pendekatan alternatif seperti mikroskopi pengembangan - yang membesarkan sampel secara fizikal daripada meningkatkan resolusi optik - menambah lebih banyak alat kepada kit alat penyelidik.
Apabila teknologi ini menjadi lebih mudah diakses dan rutin, saintis menjangkakan untuk menemui struktur dan proses selular yang masih sama sekali tidak diketahui hari ini. Optimisme komuniti adalah berjangkit, dengan penyelidik menyatakan bahawa hanya 20 tahun yang lalu, memecahkan had difraksi kelihatan mustahil.
Rujukan: Super-resolution microscopes showcase the inner lives of cells