طوّره إريك بيتزيج الذي حصل منذ أسابيع على جائزة نوبل للكيمياء

يعطي الميكروسكوب الجديد ثلاثي الأبعاد لمحةً فريدة لما داخل الجسم، وقد يحدث ثورةً في الطب، حيث يمكنه تصوير الخلايا داخل الجسم، ونرى من خلاله انتشار السرطان أو تكون الجنين على سبيل المثال.

تولّد التقنية التي تُدعى الفحص المجهري بصفيحة الضوء المتشابك تسجيلات فيديو وصورًا ثلاثية الأبعاد واضحة بدرجةٍ استثنائية للكائنات الحية بمقاييس تتراوح ما بين جزيء واحد والجنين في مراحله الأولى.

تسببت الميكروسكوبات الجديدة القوية على مدار العقد الماضي في زيادة تركيز علماء الأحياء بدرجةٍ كبيرة على الجزيئات التي تحرّك الحياة وتسيّرها، وتمثّل المنصة التصويرية التي طورها إريك بيتزيج الذي حصل منذ بضعة أسابيع على جائزة نوبل وزملاؤه في مؤسسة جانيليا البحثية في معهد هوارد هيوز الطبي، قفزًة أخرى إلى الأمام في مجال الفحص المجهري الضوئي.

يتضمن الفحص المجهري بالصفيحة الضوئية اضاءة العينة من الداخل واجراء مسحٍ بخطٍ رفيع من الضوء يُطلق عليه "شعاع بِسِل" عبر مجال التصوير، تُسجّل الصور من ذلك القطاع وتُحرك العينة مسافة صغيرة للغاية وتُكرر العملية مرة أخرى، ثم يمكن دمج المقاطع ثنائية الأبعاد لتكوين صور ثلاثية الأبعاد، إن تلك العملية سريعة بما يكفي لتسجيل الأحداث الحركية داخل العينة، فكّر بيتزيج في تقسيم الشعاع إلى سبعة أجزاء متوازية لتقليل الوقت المستغرَق في مسح قطاعٍ ما.

طوَّرت التقنيات قدرة البيولوجيين على تتبع حركات أصغر أبنية الخلايا بصريًا، ولكن دائمً ما يكون هناك مقابلًا، فتصوير الخلايا بدرجة وضوح عالية في الأبعاد الثلاث يعني عادةً التضحية بسرعة التصوير، بالإضافة إلى اخضاع الخلايا لسُمّية كبيرة ناتجة عن الضوء.

يقول ليجانت: ما يحدث أنك تنتهي إلى تصميم الأسئلة التي تسألها بالأدوات المتاحة لك، يمكن لفريق بيتزيج الآن بصفيحة الضوء المتشابك باستخدام تقنيتهم التصويرية للبحث عن إجابات الأسئلة التي يرغب البيولوجيون في الحصول على اجاباتها.

تطور الميكروسكوب الجديد من الميكروسكوب الذي كشف عنه بيتزيج الغطاء في عام 2011، حرّك فريق بيتزيج شعاع بِسِل لإنتاج نمط شبكي من الضوء، لتطبيق تقنية الإضاءة المنظمة عالية الوضوح التي طُوِّرت في جانيليا على يد ماتس جوستافسون، وقال ليجانت: وبذلك لا نتخلص من الفصوص الجانبية فقط، بل نزيد الوضوح إلى ما يتخطى حد الانحراف.

قسم المطوّرون شعاع بِسِل إلى سبعة أجزاء متوازية في كل مرةٍ تُصور فيها إحدى العينات لتقليل الوقت اللازم لنقل الشعاع، لذلك انتقل كل جزء إلى سُبع المسافة الأصلية فقط، وفجأةً بدت الخلايا التي كانوا يصورونها أكثر صحةً، واوضح بيتزيج: ما ذهلنا أنه بنشر الطاقة عبر سبعة أشعة بدلًا من شعاعًا واحدًا انخفضت السُمية الضوئية بنسبةٍ كبيرة، تعلمتُ من هذه التجربة أنه بينما أن جرعة الضوء التي تضعها في الخلية هامة، فإن الطاقة الفورية التي تضعها في الخلية أكثر أهمية‘‘.

يعمل الميكروسكوب الجديد بنمطين؛ يستخدم أحدهما مباديء الإضاءة المنظمة لصنع صورٍ عالية الوضوح، في هذه الحالة تُصنَع الصورة النهائية بجمع الصورة المتعددة لكل سطحٍ من العينة ومعالجتها، يمكن تسريع التصوير لالتقاط عمليات أسرع بالنمط البديل "المتردد" وإن كانت أقل وضوحًا، يكون التعرض للضوء في النمط أقل وبالتالي يكون الضرر الواقع على الخلايا أقل، وتُستبدل بالبروتينات المرقمة طبيعيًا الخلايا قبل اختفاء اشاراتها بشكلٍ ملحوظ في العديد من الحالات.

وأضاف بيتزيج: هكذا فهناك العديد من الخلايا التي يمكنك النظر إليها للأبد برؤية ثلاثية الأبعاد، لقد ذهب إلى جانيليا في العام الماضي ثلاثون فريقًا من علماء الأحياء لمعرفة ما يمكن للمجهر الضوئي الشبكي كشفه عن الأنظمة التي يدرسونها، وقد عمل كل من شين وليجانت ووانج مع الباحثين لاستخدام التكنولوجيا في تجارب متنوعة.

كما أن الميكروسكوب سريع بما يكفي لتعقب النمو السريع لمكونات هيكل الخلية في الخلايا المنقسمة وتراجعها، ورقيقًا بما يكفي لمراقبة الحركيات الجزيئية للعمليات التطورية التي تتضح تدريجيًا على مدار عدة ساعات، وأشار ليجانت: نحن نعلم ما يمكن للميكروسكوب تقديمه فيما يتعلق بالتصوير، ولكنني أعتقد أن هناك الكثير من التطبيقات التي لم نفكر فيها بعد.

يرغب بيتزيج أن يُستخدم ميكروسكوب صفيحة الضوء المتشابك على نطاق واسع حتى مع استمرار التطور التكنولوجي في معمله الخاصة، وقد بنى فريقه ميكروسكوبًا ثانيًا لمركز جانيلا للتصوير المتقدم حيث سيكون متاحًا للعلماء الزوار مجانًا، ونشر إثنين من الميكروسكوبات في معامل بهارفرد وجامعة كاليفورنيا بسان فرانسيسكو.

ويشارك فريق بيتزيج تصميماته بحرية ويقدم تعليماتٍ مفصلة للعلماء ذوي الخبرة لبناء نسختهم الخاصة من الآلة، وقد رخّصت شركة زايس شعاع بِسِل وميكروسكوب صفيحة الضوء المتشابك.

وتابع: يتطلب الانتقال من نموذج أولي ناجح عالي التقنية إلى تبني أوسع لتكنولوجيا تصويرية كمًا كبيرًا من المجهود، وفي نهاية الأمر فإن طرح السلعة تجاريًا هي الخطوة الضرورية الأخيرة لضمان امكانية تأثير هذه التقنيات تأثيرًا واسعًا في المجتمع البحثي.