سریع ترین دوربین جهان می تواند فلورسانس را از تک مولکول ها تشخیص دهد

محققان دانشگاه کیوتو، موسسه علوم و فناوری اوکیناوا (OIST) و Photron Limited در ژاپن سریع‌ترین دوربین جهان را ساخته‌اند که قادر به تشخیص فلورسانس از یک مولکول است. آنها فن‌آوری و نمونه‌هایی از قدرت آن را در دو مقاله منتشر شده در همان شماره مجله توصیف می‌کنند مجله زیست شناسی سلولی.

تاکاهیرو فوجی‌وارا، متخصص تصویربرداری زیستی، که سرپرستی این تحقیق را در موسسه علوم یکپارچه مواد سلولی (iCeMS) بر عهده داشت، می‌گوید: «کار ما با این دوربین به دانشمندان کمک می‌کند تا بفهمند سرطان چگونه گسترش می‌یابد و به تولید داروهای جدید برای درمان سرطان کمک می‌کند.

تصویربرداری تک مولکولی فلورسنت (SFMI) از یک مولکول فلورسنت به عنوان یک برچسب گزارشگر استفاده می کند که می تواند به مولکول های مورد نظر در یک سلول متصل شود و نشان دهد که کجا هستند و چگونه حرکت می کنند و به یکدیگر متصل می شوند. دوربین فوق سریع این تیم اجازه می دهد تا بالاترین رزولوشن در زمان به دست آمده توسط SFMI را ارائه دهد. این می تواند حرکات تک مولکولی را که 1000 برابر سریعتر از نرخ فریم ویدیوی معمولی است، تشخیص دهد. به طور خاص، می‌تواند یک مولکول را با یک برچسب فلورسنت متصل در هر 33 میکروثانیه با دقت 34 نانومتری در موقعیت یا هر 100 میکروثانیه با دقت 20 نانومتری شناسایی کند.

فوجی‌وارا می‌گوید: «اکنون می‌توانیم مشاهده کنیم که چگونه مولکول‌های منفرد در سلول‌های زنده می‌رقصند، انگار که در حال تماشای اجرای باله در یک تئاتر هستیم. او تاکید می کند که تکنیک های قبلی SFMI مانند تماشای باله در هر 30 ثانیه یک بار بود، بنابراین مخاطب مجبور بود از روی چنین مشاهدات پراکنده داستان را حدس بزند. بسیار دشوار بود و حدس ها اغلب کاملاً اشتباه بودند.

علاوه بر این، دوربین فوق سریعی که این تیم توسعه داده بود، وضوح زمانی یک روش وضوح فوق العاده فضایی قبلی را که با جایزه نوبل شیمی در سال 2014 شناخته شد، بسیار بهبود بخشید. تقریباً 20 نانومتر، تصاویری مانند نقاشی‌های پوینتیلیسم توسط امپرسیونیست‌های جدید به رهبری ژرژ سورات را تشکیل می‌دهد. با این حال، مشکل پوینتیلیسم زیر میکروسکوپ این بوده است که شکل‌گیری تصویر بسیار کند است و اغلب بیش از 10 دقیقه طول می‌کشد تا یک تصویر واحد به دست آید، و بنابراین نمونه‌ها باید سلول‌های مرده را از نظر شیمیایی تثبیت می‌کردند. با دوربین فوق سریع توسعه یافته، تصویر را می توان در 10 ثانیه، حدود 60 برابر سریعتر، ایجاد کرد و امکان مشاهده سلول های زنده را فراهم کرد.

این تیم با بررسی مکان‌یابی و حرکت یک پروتئین گیرنده درگیر در سرطان‌ها و یک ساختار سلولی به نام چسبندگی کانونی، قدرت دوربین خود را بیشتر نشان دادند. چسبندگی کانونی مجموعه‌ای از مولکول‌های پروتئینی است که دسته‌هایی از پروتئین‌های ساختاری داخل سلول‌ها را به مواد بیرون سلولی به نام ماتریکس خارج سلولی متصل می‌کند. می تواند نقش مهمی در تعاملات مکانیکی سلولی با محیط خود داشته باشد و به سلول های سرطانی اجازه حرکت و متاستاز را بدهد.

در یک تحقیق متوجه شدیم که یک گیرنده محرک سرطان که به مولکول‌های سیگنال‌دهنده متصل می‌شود، زمانی که فعال می‌شود برای مدت طولانی‌تری در یک محفظه سلولی خاص محبوس می‌شود. در دیگری، ساختارهای بسیار ظریف و حرکات مولکولی را در چسبندگی کانونی که در فعالیت‌های سلول‌های سرطانی دخیل هستند، نشان دادیم.

آکیهیرو کوسومی، نویسنده مسئول، استاد OIST و استاد بازنشسته دانشگاه کیوتو

نتایج به تیم اجازه داد تا یک مدل تصفیه شده از ساختار و فعالیت چسبندگی کانونی را پیشنهاد کند.

بسیاری از تیم های تحقیقاتی در سرتاسر جهان علاقه مند به تولید داروهایی هستند که می توانند با نقش چسبندگی های کانونی در سرطان تداخل داشته باشند. دوربین فوق سریع که توسط این تیم با همکاری آقای Takeuchi از Photron Limited، سازنده دوربین در ژاپن ساخته شده است، با آشکار کردن درک عمیق تر از نحوه حرکت و تعامل این ساختارها با ساختارهای دیگر در داخل و خارج سلول ها، به این تلاش ها کمک خواهد کرد.