مقدمهای بر میکروسکوپ الکترونی کرایو
تصویربرداری زیست مولکول در سالهای اخیر با پیشرفت در فناوری میکروسکوپ الکترونی کرایو (cryo-EM) انقلاب ایجاد کرده است. در نتیجه، دانشمندان توانستهاند ساختار بیومولکولهای کوچک مانند ویروسها و پروتئینها را در سطوح بیسابقهای از جزئیات، تجسم کنند. این امر راههای زیادی را برای کشف گزینههای درمانی جدید برای بیماریهای مختلف باز کرده است.
با این حال به دلیل هزینه بالای این فناوری، تخصص مورد نیاز برای بهره برداری و وضوح نسبتاً کمتری که در مقایسه با روشهای جایگزین مانند کریستالوگرافی اشعه ایکس ارائه میدهد، از دستیابی به پتانسیل کامل خود جلوگیری شده است. این عوامل باعث شده بود تا Cryo-EM برای بسیاری از تیمهای تحقیقاتی غیرقابل دسترس باقی بماند تا اینکه پیشرفتهای اخیر، فناوری cryo-EM را با هزینه کم و استفاده آسان و همچنین میکروسکوپهایی که میتوانند تصاویری با وضوح اتمی تولید کنند، ایجاد کردند.
ما در این مقاله یک نمای کلی از این فناوری ارائه میدهیم، چالشهای پیش روی آن را به تفصیل شرح میدهیم و توضیح میدهیم که چگونه توسعههای اخیر بر این چالشها غلبه میکنند. در نهایت، پیشبینی میکنیم که چگونه میکروسکوپ الکترونی کرایو در آینده توسعه مییابد.
میکروسکوپ الکترونی کرایو چیست؟
Cryo-EM یک تکنیک تصویربرداری است که برای تولید بازسازیهای سه بعدی با وضوح بالا از مولکولهای زیستی استفاده میشود. این روش با انجماد کردن نمونههای بیولوژیکی در یخ (شیشه مانند) و استفاده از پرتو الکترونی پرانرژی برای بررسی نمونه کار میکند. با پرتاب الکترونها به سمت نمونه، اتمهای درون نمونه پراکنده میشوند و جهت خود را تغییر میدهند.
سپس این الکترونهای پراکنده توسط آشکارساز برداشت میشوند و اجازه میدهند الگوی پراکندگی منحصربهفرد، برای ایجاد تصویری از نمونه زیست مولکول، نقشهبرداری شود.
در حالی که این روش بازسازیهای سهبعدی با وضوح بالا را ارائه میکند، تصاویری که تولید میکند در رتبه دوم پس از کریستالوگرافی اشعه ایکس قرار میگیرد که قادر به تولید تصاویر با وضوح بسیار بالاتر است. در حالی که روش cryo-EM از برخی جهات سادهتر از کریستالوگرافی اشعه ایکس است، کریستالوگرافی اشعه ایکس به دلیل توانایی آن در تجسم بهتر ساختارهای بیولوژیکی، مورد علاقه کاربران قرار گرفته است.
علاوه بر این، برای سالهای متمادی به دلیل هزینه بالای تجهیزات و نیاز به کارکنان آموزشدیده برای کارکرد cryo-EM در بسیاری از آزمایشگاهها، دشوار بوده است. در نتیجه، این فناوری نتوانست به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرد. خوشبختانه، با پیشرفتهای اخیر که در این زمینه به دست آمده است، تغییراتی ایجاد خواهد شد.
غلبه بر چالشها در میکروسکوپ الکترونی کرایو
تیمی از محققان در مرکز کشف ساختار کاربردی Biodesign (CASD) و دانشکده علوم مولکولی (SMS) ASU، تکنیک cryo-EM را اصلاح کردهاند و آن را قادر میسازد تا تصاویری با وضوح بالاتر تولید کند.
پروتئینها، مانند پروتئینهایی که اغلب هدف بررسیهای cryo-EM هستند، ساختارهای سه بعدی منحصر به فردی دارند که عملکردشان را تعیین میکند. میتوان از این ساختارها با ترکیبهای مختلف عکسهای فوری گرفت، برخی از آنها ممکن است در مدت زمانی باقی بمانند، در حالی که برخی دیگر زودگذر هستند و فقط برای میلیاردم ثانیه وجود دارند و تصویر برداری را به چالش میکشند.
تحقیق جدیدی که در CASD و ASU انجام شده است، روشی به روز شده از cryo-EM را ایجاد کرده است که این ساختارهای گذرا را ثبت و مدلسازی میکند. این پیشرفت در فناوری به غلبه بر محدودیت وضوح cryo-EM کمک میکند.
در مطالعه اخیر دیگری که در دانشگاه فارغ التحصیلان موسسه علم و فناوری اوکیناوا (OIST) انجام شد، دانشمندان میکروسکوپ الکترونی کرایو مقرون به صرفهتر و آسانتری را ایجاد کردند.
در Cryo-EM سنتی، الکترونهای یک پرتو الکترونی با اتمهای یک نمونه بیولوژیکی تعامل میکنند و پراکندگی ایجاد میکنند که توسط آشکارسازها برای تشکیل تصویر ثبت میشود.
استفاده از الکترونهای پرانرژی باعث میشود تعداد کمی از اتمها به دلیل برهمکنش ضعیف بین اتمهای با جرم اتمی کم (مانند کربن، نیتروژن، هیدروژن و اکسیژن) و الکترونها پراکنده شوند. از سوی دیگر، الکترونهای کم انرژی کندتر هستند و با اتمها تعامل قویتری دارند و پراکندگی مکررتری ایجاد میکنند. استفاده از الکترونهای کم انرژی مقرون به صرفهتر است، اما تا همین اواخر، این روش به دلیل مقدار قابل توجهی از نویز پس زمینه که از طریق پراکندگی ناشی از یخ اطراف نمونه ایجاد میکرد، نامناسب بود.
دانشمندان OIST با تطبیق یک میکروسکوپ cryo-EM که میتواند به هولوگرافی کرایو الکترونی تغییر کند، بر این محدودیت غلبه کردهاند. فرآیند هولوگرافی کرایو الکترونی سریع و ساده است و بر چالشهای قبلی cryo-EM غلبه میکند.
آینده میکروسکوپ الکترونی کرایو
با توجه به اینکه نمونههای بیولوژیکی تصویربرداری شده با میکروسکوپ الکترونی کرایو ، مانند پروتئینها، اغلب اهداف اولیه کاربردهای دارویی هستند، پیشرفتها در این زمینه برای درک بیشتر ما از بیماری، حیاتی است. این احتمال وجود دارد که در سالهای آینده، تحقیقات و توسعه بیشتر برای بهبود تکنیک cryo-EM ادامه یابد و به تسهیل پذیرش گسترده آن و افزایش قابلیتهای آن کمک کند. این تکنیک احتمالاً در اکتشافات آینده که کلید توسعه درمانهای جدید برای چندین بیماری خواهد بود، دخیل خواهد بود.
همچنین بخوانید:
- میکروسکوپ کانفوکال: تعریف، اساس، قطعات، انواع و کاربردها
- میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM): اصول کار، قطعات و کاربرد
- میکروسکوپ زمینه تاریک (Darkfield Microscope): تعریف، اصول، کاربردها و نمای آن
مترجم: معصومه قریبی ششده
